kodon Usage and Organization of the cell ’ s cytoplazma
ponieważ kod genetyczny jest zbędny, sekwencje kodujące wykazują wysoce zmienne wzorce użycia kodonu. Jeśli nie było stronniczości, wszystkie kodony dla danego aminokwasu powinny być używane mniej więcej jednakowo. Geny B. subtilis zostały podzielone na trzy klasy w oparciu o ich kodonowe odchylenie użytkowania. Jedna klasa składa się z większości białek, druga składa się z genów, które ulegają ekspresji na wysokim poziomie podczas wykładniczego wzrostu, a trzecia klasa, z kodonami bogatymi w A+T, odpowiada częściom genomu, które były wymieniane poziomo. Co jest źródłem takich uprzedzeń? Można się spodziewać, że przypadkowe mutacje wygładzą wszelkie różnice, ale tak nie jest. Istnieją również systematyczne efekty kontekstu, przy czym niektóre sekwencje DNA są faworyzowane lub wybierane przeciw.
cytoplazma komórki nie jest małą probówką. Jedną z najbardziej zastanawiających cech organizacji cytoplazmy jest to, że obejmuje ona obecność bardzo długiej cząsteczki podobnej do nici, DNA, która jest transkrybowana w celu wytworzenia wielu nici RNA, które zwykle są tak długie, jak długość całej komórki. Gdyby cząsteczki mRNA pozostawały wolne w cytoplazmie, powstałyby wszelkiego rodzaju wiązane struktury. Muszą zatem istnieć pewne zasady organizacyjne, które zapobiegają splątaniu się cząsteczek mRNA i DNA. Kilka modeli, popartych eksperymentami, postuluje układ, w którym transkrybowane regiony są obecne na powierzchni chromoidu, w taki sposób, że polimeraza RNA nie musi ograniczać podwójnej helisy podczas transkrypcji. Kompartmentalizacja jest ważna nawet dla małych cząsteczek, pomimo faktu, że mogą one szybko dyfundować. W komórce B. subtilis rosnącej wykładniczo w bogatej pożywce, rybosomy zajmują ponad 15% objętości komórki. Cytoplazma jest zatem siecią rybosomów, w której lokalne szybkości dyfuzji małych cząsteczek, a także makrocząsteczek, są stosunkowo powolne. Podobnie obliczone stężenie białka w komórce wynosi ok. 100-200 mg ml−1, bardzo wysokie stężenie.
mechanizm translacyjny wymaga odpowiedniej puli czynników elongacyjnych, syntetaz aminoacylo-tRNA i Trna. Licząc liczbę cząsteczek tRNA przylegających do danego rybosomu, można wyobrazić sobie małą, skończoną liczbę cząsteczek. W konsekwencji, rybosom translujący jest atraktorem, który działa na ograniczoną pulę cząsteczek tRNA. Sytuacja ta stanowi formę presji wybiórczej, której wynikiem byłoby adaptacja kodonowego błędu użycia tłumaczonej wiadomości jako funkcji jej pozycji w cytoplazmie. Jeśli błąd użycia kodonu zmieniłby się z mRNA na mRNA, te różne cząsteczki nie zobaczyłyby tych samych rybosomów podczas cyklu życia. W szczególności, gdyby dwa geny miały bardzo różne wzorce użycia kodonów, przewidywałoby to, że odpowiadające im mRNA nie powstają w tym samym sektorze cytoplazmy.
kiedy nici mRNA wyłaniają się z DNA, angażują się w sieć rybosomów i zapadają się od jednego rybosomu do drugiego, jak nić w maszynie do drutu (zauważ, że jest to dokładnie przeciwne do poglądu translacji przedstawionego w podręcznikach, gdzie rybosomy mają podróżować wzdłuż stałych cząsteczek mRNA). W tym procesie rodzące się białka są syntetyzowane na każdym rybosomie i rozprzestrzeniają się w całej cytoplazmie przez liniową dyfuzję cząsteczki mRNA z jednego rybosomu do drugiego. Jednak kiedy mRNA odłącza się od DNA, kompleks transkrypcyjny musi czasami się rozpadać. Złamany mRNA może być niebezpieczną cząsteczką, ponieważ, jeśli zostanie przetłumaczony, wytworzy obcięte białko. Takie fragmenty białek są często toksyczne, ponieważ mogą zaburzać architekturę kompleksów wielosubunit (wyjaśnia to, dlaczego wiele nonsensownych mutantów jest dominujących ujemnie, a nie recesywnie). Istnieje proces, który radzi sobie z tego rodzaju wypadkiem u B. subtilis. Kiedy przedwcześnie zakończona cząsteczka mRNA osiągnie swój koniec, rybosom przestaje się tłumaczyć, nie dysocjuje i czeka. Wyspecjalizowany RNA, tmRNA, który jest składany i przetwarzany na swoim 3′ końcu jak tRNA i naładowany alaniną, wchodzi, wstawia swoją alaninę na C-końcu powstającego polipeptydu, a następnie zastępuje mRNA w rybosomie, gdzie jest tłumaczony jako ASFNQNVALAA. Ogon ten jest znacznikiem białkowym, który jest następnie używany do kierowania go do kompleksu proteolitycznego (ClpA, ClpX), gdzie ulega degradacji.
organizacja sieci rybosomów, połączona z organizacją powierzchni transkrypcyjnej chromoidu, zapewnia, że cząsteczki mRNA są tłumaczone równolegle do siebie, w taki sposób, że nie tworzą węzłów. Operony policistroniczne zapewniają, że białka o powiązanych funkcjach są koekspresowane lokalnie, umożliwiając kierowanie odpowiednich pośrednich szlaków. W ten sposób struktura cząsteczek mRNA jest sprzężona z ich losem w komórce i z ich funkcją w segmentalizacji. Geny tłumaczone sekwencyjnie w operonach są fizjologicznie i strukturalnie połączone. Jest to również prawdą dla mRNA, które są tłumaczone równolegle do siebie, co sugeruje, że kilka polimeraz RNA jest zaangażowanych w proces transkrypcji jednocześnie, jarzmo jako zwierzęta pociągowe. Rzeczywiście, jeśli istnieje korelacja funkcji i / lub lokalizacji w jednym wymiarze, istnieje podobne ograniczenie w kierunkach ortogonalnych. Ponieważ rybosomy przyciągają cząsteczki tRNA, powodują lokalne sprzężenie między tymi cząsteczkami a kodonami, które są tłumaczone. Przewiduje to, że dany rybosom preferencyjnie przetłumaczyłby mRNA o podobnych wzorcach użycia kodonów. W konsekwencji, w miarę oddalania się od silnie stronniczego rybosomu, dostępność najbardziej stronniczych Trna byłaby coraz mniejsza. Tworzy to presję selekcji dla gradientu użycia kodonu, gdy odchodzi się od najbardziej stronniczych wiadomości i rybosomów, zagnieżdżając transkrypty wokół centralnego rdzenia(rdzeni), utworzonego z transkryptów dla wysoce stronniczych genów. Wreszcie, synteza rybosomów tworzy siłę odpychającą, która odpycha nici DNA od siebie, w szczególności z regionów bliskich początkowi replikacji. Razem procesy te prowadzą do gradientu genu wzdłuż chromosomu, który jest ważnym elementem architektury komórki.