6
TAMIL NADU AGRICULTURAL UNIVERSITY Dept of Agrl Microbiology AGM 222 Microbial Genetics (1+1) 1| Page II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 201617 Gene structure and Expression in bacteria and Eukaryotes Functionally the total genome of an organism may be divided into genes. Each gene is a sequence within the nucleic acid that represents a single protein. Each of the separate nucleic acid molecules comprising the genome may contain a large number of genes. Genomes for living organisms may contain as few as <500 genes (for a mycoplasma, a type of bacterium) to as many as >40,000 for Man. The basic behavior of the gene was defined by Mendel more than a century ago. Summarized in his two laws, the gene was recognized as a "particulate factor" that passes unchanged from parent to progeny. A gene may exist in alternative forms. These forms are called alleles. In diploid organisms, which have two sets of chromosomes, one copy of each chromosome is inherited from each parent. This is the same behavior that is displayed by genes. One of the two copies of each gene is the paternal allele (inherited from the father), the other is the maternal allele (inherited from the mother). The equivalence led to the discovery that chromosomes in fact carry the genes. A gene is a sequence of DNA that produces another nucleic acid, RNA. The DNA has two strands of nucleic acid, and the RNA has only one strand. The sequence of the RNA is determined by the sequence of the DNA (in fact, it is identical to one of the DNA strands). In many, but not in all cases, the RNA is in turn used to direct production of a protein. Thus a gene is a sequence of DNA that codes for an RNA; in proteincoding genes, the RNA in turn codes for a protein. After the genetic information stored as DNA is transcribed into RNA, the information is translated to yield specific proteins. Collectively, these processes are called gene expression. The first stage is transcription, during which, an mRNA is produced using one strand of the DNA by the enzyme RNA polymerase (See a note on RNA Polymerase). The second stage is translation of the mRNA into protein. This is the process by which the sequence of an mRNA is read in triplets to give the series of amino acids that make the corresponding protein. RNA polymerase from Bacteria has five different subunits, designated as α, β, ω (omega) and σ (sigma) with β present in two copies. The β and β` (beta prime) subunits are similar but not identical. The subunits interact to form the active enzyme, called the RNA polymerase holoenzyme, but the sigma factor is not as tightly bound as the others and easily dissociates, leading to the formation of the RNA polymerase core enzyme - α2 β β` ω (minus sigma). The core enzyme alone synthesizes RNA, whereas the sigma factor recognizes the appropriate site on the DNA for RNA synthesis to begin. The omega subunit is needed for assembly of the core enzyme but not for RNA synthesis.

TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

TAMIL NADU AGRICULTURAL UNIVERSITY Dept of Agrl Microbiology 

AGM 222 Microbial Genetics (1+1) 

1 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

 

Gene structure and Expression in bacteria and Eukaryotes  Functionally the total genome of an organism may be divided  into genes. Each gene  is a sequence within the nucleic acid that represents a single protein. Each of the separate nucleic acid molecules comprising the genome may contain a large number of genes. Genomes for living organisms may contain as few as <500 genes (for a mycoplasma, a type of bacterium) to as many as >40,000 for Man.   

The  basic  behavior  of  the  gene  was  defined  by  Mendel  more  than  a  century  ago. Summarized  in  his  two  laws,  the  gene  was  recognized  as  a  "particulate  factor"  that  passes unchanged  from parent  to progeny. A gene may exist  in alternative  forms. These  forms are called alleles.   

In diploid organisms, which have two sets of chromosomes, one copy of each chromosome is  inherited from each parent. This  is the same behavior that  is displayed by genes. One of the two copies of each gene is the paternal allele (inherited from the father), the other is the maternal allele (inherited  from  the mother). The equivalence  led  to  the discovery  that chromosomes  in  fact carry the genes.   A gene  is a sequence of DNA that produces another nucleic acid, RNA. The DNA has two strands of nucleic acid, and  the RNA has only one  strand. The sequence of the RNA is determined by the sequence of the DNA (in fact,  it  is  identical to one of the DNA strands).  In many, but not  in all cases, the RNA  is  in turn used  to direct production of  a protein. Thus a gene is a sequence of DNA that codes for an RNA;  in protein‐coding  genes,  the  RNA  in  turn  codes  for  a protein.  After the genetic information stored as DNA is transcribed into RNA, the information is translated to  yield  specific  proteins.  Collectively,  these processes are called gene expression.     The first stage is transcription, during which, an mRNA  is produced using one strand of the DNA by the enzyme RNA polymerase (See a note on RNA Polymerase). The second stage  is translation of the mRNA  into protein. This  is the process by which the sequence of an mRNA  is read  in triplets to give the series of amino acids that make the corresponding protein.  RNA polymerase from Bacteria has five different subunits, designated as α, β, ω (omega) and σ (sigma) with β present in two copies. The β and β` (beta prime) subunits are similar but not identical. The subunits interact to form the active enzyme, called the RNA polymerase holoenzyme, but the sigma factor is not as tightly bound as the others and easily dissociates, leading to the formation of the RNA polymerase core enzyme - α2 β β` ω (minus sigma). The core enzyme alone synthesizes RNA, whereas the sigma factor recognizes the appropriate site on the DNA for RNA synthesis to begin. The omega subunit is needed for assembly of the core enzyme but not for RNA synthesis.  

Page 2: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

2 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

Transcription in Bacteria Transcription  is  carried out by RNA polymerase.  Like DNA polymerase, RNA polymerase  catalyzes the  formation  of  phosphodiester  bonds  but  between  ribonucleotides  rather  than deoxyribonucleotides.  RNA  polymerase  uses  DNA  as  a  template.  The  precursors  of  RNA  are  the ribonucleoside triphosphates ATP, GTP, UTP, and CTP. The mechanism of RNA synthesis is much like that of DNA synthesis. During elongation of an RNA chain, ribonucleoside triphosphates are added to the 3`‐OH of the ribose of the preceding nucleotide. 

  Transcription  starts  when  RNA  polymerase binds to a special region, the promoter, at the start of the gene. The promoter surrounds the first base pair that is transcribed into RNA, the start point.  From  this point, RNA polymerase moves  along  the  template,  synthesizing  RNA, until  it  reaches  a  terminator  sequence.  This action defines a transcription unit that extends from the promoter to the terminator.   The  transcription unit constitutes a stretch of DNA  expressed  through  the  production  of  a single RNA molecule. A transcription unit may include more than one gene.   Sequences  prior  to  the  startpoint  are described  as  upstream  of  it;  those  after  the startpoint  (within  the  transcribed  sequence) are downstream of  it.   Sequences are conventionally written so that transcription proceeds from left (upstream) to right (downstream). This corresponds to writing the mRNA in the usual 5'→ 3' direc on.  

Page 3: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

3 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

How RNA polymerse recognizes the start point of transcription  RNA  polymerase  is  a  large protein and makes contact with many  bases  of  DNA simultaneously. Proteins such as RNA  polymerase  can  interact specifically  with  DNA  because portions  of  the  bases  are exposed  in  the  major  groove. However,  in  order  to  initiate RNA  synthesis  correctly,  RNA polymerase must  first recognize the  initiation  sites  on  the DNA. These  sites,  called  promoters, are  recognized  by  the  sigma factor.     

  How transcription stops?  Only  those  genes  that  need  to  be expressed  should  be  transcribed. Therefore  it  is  important  to  terminate transcription  at  the  correct  position. Termination of RNA synthesis  is governed by  specific  base  sequences  on  the  DNA, called Terminators. 

In Bacteria a common termination signal  on  the  DNA  is  a  GC‐rich  sequence containing  an  inverted  repeat  with  a central nonrepeating segment. When such a  DNA  sequence  is  transcribed,  the  RNA forms  a  stem–loop  structure  by  intra‐strand  base  pairing.  Such  stem–loop structures, followed by a run of adenosines  in the DNA template and therefore a run of uridines  in the mRNA, are effective transcription terminators.  Polycistronic mRNA and the Operon 

In  prokaryotes,  genes  encoding  related  enzymes  are  often  clustered  together.  RNA polymerase proceeds through such clusters and transcribes the whole group of genes  into a single, long  mRNA  molecule.  An  mRNA  encoding  such  a  group  of  co‐transcribed  genes  is  called  a polycistronic  mRNA.  When  this  is  translated,  several  polypeptides  are  synthesized,  one  after another, by the same ribosome.  

A group of related genes that are transcribed together to give a single polycistronic mRNA is known as an operon. Assembling genes for the same biochemical pathway or genes needed under the  same  conditions  into  an  operon  allows  their  expression  to  be  co‐ordinated.  Despite  this, eukaryotes do not have operons and polycistronic mRNA. 

Page 4: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

4 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

 An  Example  for  polycistronic mRNA.    Here, the complete structure of ribosome  is coded by 3 genes namely 16S, 23S and 5S.  All these genes  are  under  a  common  promoter  and terminator.    During  transcription,  RNA polymerase  will  synthesize  a  single  mRNA (which  is  referred  as  polycistronic  mRNA).  After that  the unwanted transcribed regions will be excised out and matured RNAs will be translated.    However,  these  kind  of  post‐transcriptional processes are not common  in bacterial  system,  while  in  eukaryotes,  it  is common. 

  In prokaryotes, most messenger RNAs have a short half‐life (on the order of a few minutes), after which they are degraded by cellular ribonucleases. This is in contrast to rRNA and tRNA, which are stable RNAs. Hence, the translation will be started immediately or even before the transcription is over.   Transcription in Eukaryotes   In Eukaryota, many genes are split into two or more coding regions separated by noncoding regions.  The segments of coding sequence are called exons and  introns are the  intervening non‐coding regions. The term primary transcript refers to the RNA molecule that is originally transcribed before the  introns are removed to  generate  the  final  mRNA,  consisting solely of the exons.   Another  major  distinguishable feature of eukaryotic gene expression is the physical  separation  of  transcription  (in nucleus) and translation (in cytoplasm).   

During transcription, RNA  is formed from  a  DNA  template.  The  initial  RNA product  of  transcription  is  known  as  the primary  transcript.  However,  many  RNA molecules need alterations ‐ known as RNA processing before  they are mature,  that  is, ready  to  carry out  their  role  in  the  cell. As we  have  seen,  many  genes  in  eukaryotes contain  intervening  sequences,  the  introns, between  the  protein‐coding  regions,  the exons. These intervening sequences are removed from the primary transcript. The RNA is cleaved to remove the  introns and the exons are  joined to  form a contiguous protein‐coding sequence  in the mature mRNA.  The  process  by  which  introns  are  removed  and  exons  are  joined  is  called  RNA splicing. Occasional introns are found in prokaryotes, but the mechanism of removal is different.   

Page 5: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

5 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

 mRNA undergoes two modifications before splicing  There are two other unique steps  in the processing of  eukaryotic mRNA.  Both  steps  take  place  in  the nucleus  prior  to  splicing.  The  first,  called  capping, occurs before  transcription  is  complete. Capping  is the addition of a methylated guanine nucleotide at the  5`‐phosphate  end  of  the  mRNA.  The  cap nucleotide is added in reverse orientation relative to the rest of the mRNA molecule. 

The  second  processing  step  consists  of trimming  the 3`  end of  the primary  transcript  and adding  100–200  adenylate  residues  as  the  poly(A) tail.  The  tail  recognition  sequence,  AAUAAA,  is located close to the 3` end of the primary transcript and beyond the stop codon of the protein encoded by the mRNA. (Thus the poly(A) tail is not translated).     Spliceosome helps the splicing RNA splicing takes place  in the nucleus. Splicing  is done by a  large macromolecular complex about  the size of a ribosome,  called  the  spliceosome.  The  spliceosome removes  introns  and  joins  adjacent  exons  to  form mature  mRNA.  The  spliceosome  contains  four  large RNA–protein  complexes,  called  small  nuclear ribonucleoproteins  (snRNPs),  together  with  many protein  factors;  indeed, over 100 proteins participate  in its  activity.    How  spliceosome  removes  the  introns  is presented in this diagram. The  poly(A)  tail  is  also  required  for  translation;  it  indicates  to  the  translation machinery  that  the  RNA  is mRNA rather than some other form of RNA and that it is ready for translation.   Only when  all  three  steps  (capping,  poly(A)  tailing  and RNA splicing) complete is the mature mRNA transported into the cytoplasm for translation.  

 Translation in Prokaryotes and Eukaryotes Protein  synthesis  by  eukaryotic  ribosomes  is  generally  more  complex  than  in  Bacteria.  The cytoplasmic ribosomes of eukaryotic cells (80S ribosomes) are  larger than bacterial ribosomes (70S ribosomes) and contain more rRNA and protein molecules. In particular, the large ribosomal subunit contains  three  rRNA molecules, 5S, 5.8S, and 28S. The 5.8S  rRNA  is homologous  to  the 5S end of bacterial 23S rRNA, and the 28S rRNA corresponds to the rest of bacterial 23S rRNA.  

In  Bacteria  mRNA  is  polycistronic  and  may  be  translated  to  give  several  proteins.  In eukaryotes, mRNA carries only a single gene that  is translated into a single protein. That is, eukaryotic mRNA is monocistronic.  

Page 6: TAMIL Microbiology 222 Microbial Genetics (1+1)

6 | P a g e  II Year I Sem B. Tech (Biotech) and B. Tech (Bioinformatics) 2016‐17 

 

Bacteria use N‐formylmethionine as the first amino acid of all proteins, whereas eukaryotes use methionine. 

The prokaryotic mRNA has ribosomal binding site which is absent in eukaryotic mRNA.  Instead, the eukaryotic mRNA is recognized by its cap. 

 Over‐view of Translation 

 

 Comparative gene expression in bacteria and eukaryotes