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Summary The basal transcription apparatus of archaea is well characterized. However, much less is known about the mechanisms of transcription termination and translation initation. Recently, experimental determination of the 5´-ends of ten transcripts from Pyrobaculum aerophilum revealed that these are devoid of a 5´-UTR. Bioinformatic analysis indicated that many transcripts of other archaeal species might also be leaderless. The´-ends and 3´-ends of 40 transcripts of two haloarchaeal species, Halobacterium salinarum and Haloferax volcanii, have been determined. They were used to characterize the lengths of 5´-UTRs and 3´-UTRs and to deduce consensus sequence-elements for transcription and translation. The experimental approach was complemented with a bioinformatics analysis of the H. salinarum genome sequence. Furthermore, the influence of selected 5´-UTRs and 3´-UTRs on transcript stability and translational efficiency in vivo was characterized using a newly established reporter gene system, gene fusions, and real-time PCR. Consensus sequences for basal promoter elements could be refined and a novel element was discovered. A consensus motif probably important for transcriptional termination was established. All 40 haloarchaeal transcripts analyzed had a 3´-UTR (average size 57 nt), and their 3´-ends were not posttranscriptionally modified. Experimental data and genome analyses revealed that the majority of haloarchaeal transcripts are leaderless, indicating that this is the predominant mode for translation initiation in haloarchaea. Surprisingly, the 5´-UTRs of most leadered transcripts did not contain a Shine-Dalgarno (SD) sequence. A genome analysis indicated that less than 10% of all genes are preceded by a SD sequence and even most proximal genes in operons lack a SD sequence. Seven different leadered transcripts devoid of a SD sequence were efficiently translated in vivo, including artificial 5´-UTRs of random sequences. Thus, an interaction of the 5´-UTRs of these leadered transcripts with the 16S rRNA could be excluded. Taken together, either a scanning mechanism similar to the mechanism of translation initiation operating in eukaryotes or a novel mechanism must operate on most leadered haloarchaeal transcripts. Author Summary Expression of the information encoded in the genome of an organism into its phenotype involves transcription of the DNA into messenger RNAs and translation of mRNAs into proteins. The textbook view is that an mRNA consists of an untranslated region (5´-UTR), an open reading frame encoding the protein, and another untranslated region (3´-UTR). We have determined the 5´-ends and the 3´-ends of 40 mRNAs of two haloarchaeal species and used this dataset to gain information about nucleotide elements important for transcription and translation. Two thirds of the mRNAs were devoid of a 5´-UTR, and therefore the major pathway for translation initiation in haloarchaea involves so-called leaderless transcripts. Very unexpectedly, most leadered mRNAs were found to be devoid of a sequence motif believed to be essential for translation initiation in bacteria and archaea (Shine-Dalgarno sequence). A bioinformatic genome analysis revealed that less than 10% of the genes contain a Shine-Dalgarno sequence. mRNAs lacking this motif were efficiently translated in vivo, including mRNAs with artificial 5´-UTRs of total random sequence. Thus, translation initiation on these mRNAs either involves a scanning mechanism similar to the mechanism operating in eukaryotes or a totally novel mechanism operating at least in haloarchaea.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die 5´- und 3´-Enden 23 ausgewählter Transkripte des halophilen Archaeons Halobacterium salinarum bestimmt. Die Daten wurden dazu verwendet, die Längen der untranslatierten Bereiche zu ermitteln, Konsensussequenzen für die Transkriptionsinitiation und -termination abzuleiten und die Rolle haloarchaealer UTRs bei der Translationsinitiation und -regulation zu untersuchen. Der experimentelle Ansatz wurde mit einer bioinformatischen Analyse des Genoms von H. salinarum vervollständigt. Dabei konnten die Konsensussequenzen der basalen Promotorelemente genauer definiert werden und ein neues Promotorelement konnte entdeckt werden. Weiterhin wurde ein Konsensusmotiv gefunden, welches wahrscheinlich für die Termination der Transkription wichtig ist. Alle 23 analysierten Transkripte hatten eine 3´-UTR mit einer durchschnittlichen Länge von 48 Nukleotiden und ihre 3´-Enden waren nicht posttranskriptionell modifiziert. Die experimentellen Ergebnisse und bioinformatischen Daten ergaben, dass die Mehrheit der haloarchaealen Transkripte keine 5´-UTR besitzt. Die meisten Transkripte mit 5´-UTRs enthielten unerwarteterweise keine Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz. Die Analyse des H. salinarum Genoms machte deutlich, dass weniger als 10% aller Gene eine SD Sequenz vorrausgeht und dass sogar bei Genen, die distal im Operon liegen, meistens keine SD-Sequenz zu finden ist. Weiterhin wurde der Einfluss einer ausgewählten 5´-UTR ohne SD-Sequenz und einer 3´-UTR auf die Transkriptstabilität und die Translationseffizienz untersucht. Das Transkript mit 5´ UTR ohne SD-Sequenz wurde in H. salinarum effizient translatiert. In einer Studie an H. volcanii konnte das Gleiche für verschiedene 5´ UTRs ohne SD-Sequenz in Verbindung mit einem Reportergen gezeigt werden (Brenneis et al., 2007). An diesen Transkripten kann die Translation also nicht über den „bakteriellen“ Mechansimus durch Basenpaarung mit dem 3´-Ende der 16S rRNA initiiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde untersucht, ob es sich bei dem Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz um einen Scanning-Mechanismus wie bei Eukaryonten oder um einen neuen Mechanismus handelt. Für die Experimente wurde das zuvor erwähnte Reportergensystem aus H. volcanii verwendet. Neben AUG wurden GUG und UUG effizient als Startkodons an einem Transkript mit 5´-UTR genutzt, wohingegen AUG das einzige funktionierende Startkodon bei einem Transkript ohne 5´-UTR war. Verschiedene Deletionsversionen der 20 Nukleotide langen 5´-UTR wurden im Gegensatz zur kompletten 5´-UTR nur sehr ineffizient translatiert. Das Einfügen zusätzlicher AUGs stromaufwärts des natürlichen Startkodons hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Ein zusätzliches AUG am 5´-Ende im gleichen Leseraster des natürlichen AUGs führte zur gleichzeitigen Nutzung beider Startkodons auf derselben mRNA. Eine stabile Haarnadelstruktur am 5´-Ende inhibierte die Translation nur am ersten AUG und hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Zusammenfassend konnte durch die erhaltenen Ergebnisse ausgeschlossen werden, dass der Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz ein Scanning-Mechansimus wie bei Eukaryonten ist. Neben der Translationsinitiation an Transkripten ohne 5´-UTR und an Transkripten mit SD-Sequenz existiert also noch ein dritter, bis jetzt unbekannter Mechansimus zur Translationsinitiation in Haloarchaea. In initialen Versuchen zur genaueren Charakterisierung der drei verschiedenen Translationsinitiationsmechanismen, wurden Konstrukte hergestellt, bei denen alle drei verschiedenen Startkodons auf einer mRNA vorhanden sind. Es wurden erste Hinweise darauf gefunden, dass Stressbedingungen einen Einfluss auf die unterschiedlichen Initiationsmechansimen haben. Anders als erwartet führte die Mutation einer natürlichen SD-Sequenz nicht zu einer verminderten Translationseffizienz am entsprechenden Startkodon. Die Bestimmung des 5´-Endes eines Transkripts mit in silico vorhergesagter SD-Sequenz offenbarte, dass das Transkript keine 5´-UTR und somit auch keine SD-Sequenz besaß. Beide Ergebnisse machen deutlich, dass SD-Sequenzen eine noch viel geringere Rolle bei der haloarchaealen Translationsinitiation spielen, als anhand der Sequenz und UTR Analysen angenommen werden konnte.