LACZ遺伝子における翻訳、転写、mRNA分解の相互依存性

LACZ遺伝子の翻訳を駆動するリボソーム結合部位（RBS）の点変異によって異なる大腸菌株のコレクションを構築しました。これらの変異は、Shine-Dalgarnoシーケンスまたは開始コドンに影響を与えるか、これらの要素を隔離する二次構造を作成し、ベータガラクトシダーゼ発現に200倍の変動をもたらします。驚くべきことに、これらの発現のバリエーションは、LACZ mRNAレベルのほぼ同等の変化と並行しています。Beta-Galactosidaseの発現とmRNAレベルの比率は、リボソームの翻訳間の平均間隔を反映しています。したがって、逆説的に、翻訳開始に影響する変異は、この間隔を変化させません。mRNAレベルの変動のさらなる分析は、それらが2つの独立したメカニズムに由来することを示しています。ベータガラクトシダーゼの発現が、転写ごとに1つの翻訳イベントにほぼ対応するしきい値を超える場合、翻訳開始の効率の変動は、mRNAの化学的および機能的寿命に大きく影響します。さらに、化学崩壊プロセスの速度制限ステップは、翻訳開始によって競合するRNase E依存性切断であることを示します。この式のしきい値以下では、mRNAの寿命が伸び、mRNAレベルのひずみからひずみの変動が極性の効果のみから生じます。この活性範囲では、極性を逃れるほとんどのmRNA分子は単一のリボソームと交差するため、分解の観点から同一であることをお勧めします。合計で、一方の手での翻訳開始、極性および/またはmRNA分解の間の緊密な結合により、mRNAレベルを犠牲にして、非効率的なRBSからさえも、翻訳開始イベントが密接に間隔を空けます。最後に、細胞資源の管理のために、翻訳、転写、mRNA分解の間の結合の可能な有益な結果を呼び起こします。

We have constructed a collection of Escherichia coli strains which differ by point mutations in the ribosome binding site (RBS) that drives the translation of the lacZ gene. These mutations affect the Shine-Dalgarno sequence or the initiation codon, or create secondary structures that sequester these elements, and result in a 200-fold variation in beta-galactosidase expression. Surprisingly, these variations of expression are paralleled by nearly equivalent changes in the lacZ mRNA level. The ratio of the beta-galactosidase expression to the mRNA level reflects the average spacing between translating ribosomes: hence, paradoxically, mutations that affect translation initiation do not correspondingly change this spacing. Further analysis of the mRNA level variations shows that they originate from two independent mechanisms. When beta-galactosidase expression exceeds a threshold corresponding roughly to one translation event per transcript, the variations in the efficiency of translation initiation affect largely the chemical and functional lifetimes of the mRNA. We further show that the rate-limiting step in the chemical decay process is an RNase E-dependent cleavage, which is outcompeted by translation initiation. Below this expression threshold, the mRNA lifetime levels out and strain-to-strain variations in mRNA level arise solely from polarity effects. We suggest that, in this activity range, most mRNA molecules that escape polarity are crossed by a single ribosome, and hence are identical from the viewpoint of degradation. Altogether, the tight couplings between translation initiation on one hand, polarity and/or mRNA degradation on the other, result in translation initiation events being closely spaced in time even from inefficient RBS, at the expense of the mRNA level. Finally, we evocate the possible beneficial consequences of a coupling between translation, transcription and mRNA degradation, for the management of cellular resources.