 |
Регуляция терминации трансляции
|
|
|
|
Альтернативные сайты терминации трансляции могут быть использованы для расширения кодирующего потенциала определенных генов. Например, в результате редактирования РНК в мРНК аполипопротеина B человека образуется новый терминирующий кодон, что приводит к синтезу в определенных тканях укороченного полипептида, кодируемого тем же геном, что и полипептид нормального размера.
Аналогичного эффекта система трансляции достигает посредством неполной терминации синтеза полипептидов на некоторых терминирующих кодонах. Из трех терминирующих кодонов наименее эффективным является UGA. Он чаще остальных ошибочно распознается транслирующей рибосомой как осмысленный (по-видимому, с участием триптофановой тРНК). В результате синтезируется более длинный полипептид, прекращение синтеза которого происходит на следующем терминирующем кодоне. Такая ситуация наблюдается при трансляции РНК фага Qбета. Цистрон белка оболочки фага заканчивается терминирующем кодоном UGA, который с небольшой частотой распознается рибосомами как осмысленный, что приводит к синтезу более длинного, чем белок оболочки, полипептида. Этот полипептид требуется для сборки полноценной (жизнеспособной) фаговой частицы и является жизненно важным для бактериофага Qбета.
Для образования гибридного белка Gag-Pol ретровирусы типа С используют супрессию терминирующего кодона вместо сдвига рамки считывания. Супрессия происходит с эффективностью около 5% и сопровождается ошибочным прочитыванием UAG-кодона глутаминил- тРНК. Терминирующий кодон UGA в том же положении декодируется как аргининовый, цистеиновый или триптофановый. Обычные терминирующие кодоны нормальных клеточных генов в этих условиях не супрессируются, поэтому для осуществления супрессии терминирующий кодон должен находиться в определенном контексте.
|
|
|
Запрограммированная супрессия терминирующих кодонов обнаружена у мРНК запасных белков растений и при трансляции геномной РНК вирусов растений. В последнем случае этот механизм используется для синтеза полипептидов РНК-зависимой РНК- полимеразы и удлинения белка оболочки.
Использование механизмов генетически запрограммированного сдвига рамки считывания транслируемой РНК или супрессии бессмысленных кодонов расширяет кодирующий потенциал геномов без физического увеличения их размеров.
ЭНХАНСЕРЫ ТРАНСЛЯЦИОННЫЕ
Энхансеры трансляционные: Общие сведения
Трансляционными энхансерами называются специфические последовательности матричной РНК, располагающиеся в 5' и 3'- нетранслируемых областях в окрестностях последовательности Шайна-Дальгарно и кодона AUG, и способствующие отбору молекул матричных РНК рибосомой. Энхансерные последовательности узнают комплементарные участки 16S рибосомной РНК, с которой они взаимодействуют на стадии образования инициаторного контакта мРНК с рибосомой. Предполагается, что это взаимодействие приводит к относительному увеличению концентрации мРНК в окрестностях 30S субъединицы рибосомы, повышая таким образом возможности трансляции матричных РНК.
Энхансер трансляционный UUAACUUUA
Трансляционный энхансер UUAACUUUA, получивший название "эпсилон", был обнаружен в окрестностях последовательности Шайна-Дальгарно в гене 10 фага Т4 (Olins et al., 1988). Эта AU- богатая последовательность значительно усиливает экспрессию данного гена, а также эффективно функционирует, будучи помещенной перед другими неродственными генами.
Сходный энхансерный элемент (UUAAUUUAC и UUAACU) был выявлен в гене atp Escherichia coli (McCarthy et al., 1985, McCarthy et al., 1986). Последовательность "эпсилон" комплементарна нуклеотидам 458-466 16S рибосомной РНК E. coli (Olins and Rangwala, 1989), располагающимся на поверхности субъединицы рибосомы (Moazed et al., 1986). Предполагается, что эти пиримидин-богатые последовательности могут также взаимодействовать с рибосомным белком S1 (Fipro and Dahlberg, 1990).
|
|
|
Энхансер трансляционный омега
Энхансер трансляции "омега" был обнаружен в 5'- некодирующей области РНК вируса табачной мозаики (Gallie et al., 1987, Gallie et al., 1989).
Эта последовательность из 68 нуклеотидов усиливает трансляцию как в прокариотических, так и в эукариотических трансляционных системах in vivo и in vitro. Последовательность "омега" обогащена AU и не комплементарна области 460 в 16S рРНК, как последовательность "эпсилон". В тех случаях, когда в матричной РНК отсутствует последовательность Шайна-Дальгарно, последовательность "омега" функционально эквивалентна ей и способна усиливать трансляцию в 40-120 раз, что тем не менее в 10 раз ниже уровня трансляции нормальной мРНК. В присутствии последовательности Шайна-Дальгарно последовательность "омега" усиливает трансляцию до 4 раз.
Последовательность "омега" располагается на мРНК в районе до - 110 нуклеотида от стартового сайта. Тандемные копии этой последовательности удваивают эффект усиления трансляции у E. coli (Sleat et al., 1988). Наиболее важным элементом последовательности "омега" является последовательность ACAAUUAC, повторенная трижды. Предполагается, что пентануклеотид CAAUU комплементарно взаимодействует с последовательностью AAUUG, расположенной в 5'- области 16S рРНК. Эта область мРНК высококонсервативна у различных бактериальных видов и является потенциальным сайтом связывания трансляционных энхансеров (Petersen et al., 1988).
Трансляция: модели
В классической модели трансляции перемещение молекул тРНК на большой и малой субчастицах рибосом сопряжено друг с другом. В модели гибридных состояний (hybrid states model) перемещение тРНК между A- и P-участками 30S субчастицы происходит независимо от перемещения тРНК между A-, P- и E-участками большой субчастицы. В соответствии с этой моделью аминоацил-тРНК попадает в пептидил- тРНК-рибосомный комплекс в составе тройного комплекса EF-Tu-GTP- тРНК и взаимодействует с ней первоначально в гибридном состоянии A/E. В этом состоянии антикодоновая часть тРНК связывается с A- участком 30S субчастицы, а ее CCA-конец, удерживаемый EF-Tu, располагается в E-участке большой субчастицы и частично на малой субчастице. Вслед за гидролизом GTP происходит освобождение EF- Tu, что делает возможным перемещение CCA-конца аминоацил-тРНК в A-участок большой субчастицы, приводящее к возникновению A/A- состояния, эквивалентного состоянию взаимодействия аминоацил-тРНК с A-участком в классической модели. После образования пептидной связи аминоацил-тРНК, уже связанная с растущей полипептидной цепью, перемещается в P-участок большой субчастицы, а деацилированная тРНК переходит в E-участок большой субчастицы. Вновь образованная пептидил-тРНК находится теперь в гибридном A/P-состоянии: антикодоновая часть остается в A-участке 30S субчастицы, а CCA-конец занимает P-участок большой субчастицы рибосом. При этом деацилированная тРНК находится в гибридном P/E- состоянии: антикодоновый конец остается в P-участке малой субчастицы, тогда как CCA-конец занимает E-участок большой субчастицы. Далее фактор элонгации EF-G в GTP-зависимой реакции обеспечивает перемещение антикодоновой части тРНК, находящейся в гибридном состоянии, вместе с мРНК относительно 30S субчастицы. При этом пептидил-тРНК переходит в чувствительное к пуромицину P/P-состояние, соответствующее ее взаимодействию с P-участком в классической модели, а деацилированная тРНК находится в E- состоянии и на этом этапе трансляции может взаимодействовать только с E-участком большой субчастицы рибосом.
|
|
|
Из модели гибридного состояния вытекает, что, во-первых, пептидильная часть растущего пептида остается на рибосомах в стационарном состоянии, а во время трансляции перемещается тРНК. Во-вторых, транслокация тРНК происходит в два этапа: во время первой стадии обе молекулы тРНК движутся относительно большой субчастицы, на втором этапе обе молекулы тРНК вместе со связанной с ними мРНК перемещаются относительно малой 30S субчастицы рибосом. В-третьих, в процессе синтеза белка имеют место не два или три состояния связывания тРНК, а шесть или даже, возможно, семь таких состояний.
|
|
|
С помощью физических методов были получены прямые доказательства спонтанного прохождения стадии транслокации, опосредуемой пептидилтрансферазой рибосом. При использовании флуоресцентных зондов, связанных с различными участками тРНК и рибосом, удалось обнаружить изменения в квантовом выходе флуоресценции и анизотропные эффекты при образовании пептидной связи, что указывало на перемещение молекулы тРНК относительно рибосомных белков S21 и L11. На основании этих данных было высказано предположение, что во время пептидилтрансферазной реакции пептидильная цепь остается в постоянном положении относительно рибосомы, а перемещаются молекулы тРНК. Эта модель пептидилтрансферазной реакции получила название модели перемещения (displacement model). Она обладает многими общими чертами с моделью гибридного состояния, однако отличается тем, что в этой модели движение мРНК в пептидилтрансферазной реакции сопровождает перемещение тРНК.
Трансляция: точность
Стабильность кодон-антикодоновых взаимодействий не может обеспечивать высокую точность трансляции. Рибосомы активно участвуют в распознавании молекулами тРНК соответствующих кодонов мРНК, повышая точность функционирования этого механизма на несколько порядков. Данный эффект объясняют наличием механизмов, корректирующих ошибки, сопряженные с EF-Tu -зависимым гидролизом GTP во время выбора соответствующей аминоацилированной тРНК. Измерения скорости гидролиза GTP рибосомами в присутствии правильной (cognate) или неправильной (noncognate) тРНК и искусственной матрицы показали, что в первом случае она выше примерно в 10000 раз. Это приводит к преимущественному освобождению комплекса EF-Tu-GDP из рибосом, содержащих правильные аминоацил-тРНК в А-участке. Для этого рибосомы должны распознавать правильные и ошибочные кодон-антикодоновые взаимодействия и передавать эту информацию GTPазному центру.
Мутантные рибосомы, для которых характерна пониженная точность трансляции, обладают более высоким сродством к тРНК в A- участке, у "сверхточных" рибосом такое сродство понижено. В соответствии с этим повышенную точность трансляции можно объяснять в терминах уменьшения неспецифического связывания аминоацилированных тРНК A-участком рибосом и vice versa. Показано, что сродство тРНК к P-участку мутантных рибосом изменяется на противоположное таковому A-участка: у ram-мутантов с низкой точностью трансляции наблюдается пониженное сродство P- участка к тРНК, а у "сверхточных" рибосом это сродство повышено. Полагают, что простые реципрокные отношения связывают A- и P- участки рибосом с механизмами, которые управляют взаимодействием мРНК и соответствующих тРНК с рибосомами.
|
|
|
