Аминоацил -тРНК-синтетаза ( aaRS или ARS ), также называемая тРНК-лигазой, представляет собой фермент , который присоединяет соответствующую аминокислоту к соответствующей ей тРНК . Это происходит путем катализа переэтерификации определенной родственной аминокислоты или ее предшественника к одной из всех ее совместимых родственных тРНК с образованием аминоацил-тРНК . У людей 20 различных типов аа-тРНК производятся 20 различными аминоацил-тРНК-синтетазами, по одному для каждой аминокислоты генетического кода .
Иногда это называют «зарядкой» или «загрузкой» тРНК аминокислотой. После того, как тРНК заряжена, рибосома может перенести аминокислоту из тРНК на растущий пептид , согласно генетическому коду. Поэтому аминоацил тРНК играет важную роль в трансляции РНК , экспрессии генов для создания белков.
Синтетаза сначала связывает АТФ и соответствующую аминокислоту (или ее предшественника ) с образованием аминоациладенилата, высвобождая неорганический пирофосфат (PPi). Затем комплекс аденилат-aaRS связывает D-плечо соответствующей молекулы тРНК , и аминокислота переносится из aa-AMP либо в 2'-, либо в 3'-ОН последнего нуклеотида тРНК (A76) на 3'-конце .
Механизм можно обобщить в виде следующей серии реакций:
Суммируя реакции, получаем следующую высокоэкзергоническую общую реакцию:
Некоторые синтетазы также опосредуют реакцию редактирования , чтобы обеспечить высокую точность зарядки тРНК. Если добавляется неправильная тРНК (тРНК оказывается неправильно заряженной), связь аминоацил-тРНК гидролизуется . Это может произойти, когда две аминокислоты имеют разные свойства, даже если они имеют схожую форму, как в случае с валином и треонином .
Точность аминоацил-тРНК-синтетазы настолько высока, что ее часто ассоциируют со словом «суперспецифичность», когда сравнивают с другими ферментами, участвующими в метаболизме. Хотя не все синтетазы имеют домен с единственной целью редактирования, они компенсируют это наличием специфического связывания и активации своих дочерних аминокислот. Другим фактором, влияющим на точность этих синтетаз, является соотношение концентраций аминоацил-тРНК-синтетазы и ее родственной тРНК. Поскольку тРНК-синтетаза неправильно ацилирует тРНК, когда синтетаза перепроизводится, должен существовать предел уровней aaRS и тРНК in vivo. [1] [2]
Существует два класса аминоацил-тРНК-синтетаз, каждый из которых состоит из десяти ферментов: [3] [4]
Аминокислоты присоединены к гидроксильной (-ОН) группе аденозина через карбоксильную (-СООН) группу.
Независимо от того, где аминоацил изначально присоединен к нуклеотиду, 2'- O -аминоацил-тРНК в конечном итоге переместится в 3'-положение посредством переэтерификации .
Бактериальные аминоацил-тРНК-синтетазы можно сгруппировать следующим образом: [5]
Аминокислоты, которые используют класс II aaRS, по-видимому, эволюционно старше. [6]
Оба класса аминоацил-тРНК-синтетаз являются многодоменными белками. В типичном сценарии aaRS состоит из каталитического домена (где происходят обе вышеуказанные реакции) и домена связывания антикодона (который взаимодействует в основном с антикодоновой областью тРНК). Трансфер-РНК для разных аминокислот отличаются не только своим антикодоном, но и в других точках, что придает им немного разные общие конфигурации. Аминоацил-тРНК-синтетазы распознают правильные тРНК в первую очередь через их общую конфигурацию, а не только через их антикодон. [7] Кроме того, некоторые aaRS имеют дополнительные домены связывания РНК и домены редактирования [8] , которые расщепляют неправильно спаренные молекулы аминоацил-тРНК.
Каталитические домены всех aaRS данного класса оказались гомологичными друг другу, тогда как aaRS класса I и класса II не связаны друг с другом. Класс I aaRS имеет подобную цитидилилтрансферазе складку Россмана, наблюдаемую в таких белках, как глицерол-3-фосфатцитидилилтрансфераза, никотинамиднуклеотидаденилилтрансфераза и архейная FAD-синтаза, тогда как класс II aaRS имеет уникальную складку, связанную с биотин- и липоатлигазами.
Альфа -спиральный антикодон- связывающий домен аргинил-, глицил- и цистеинил-тРНК-синтетаз известен как домен DALR по названию характерных консервативных аминокислот . [9]
Аминоацил-тРНК-синтетазы были изучены кинетически, показав, что ионы Mg2 + играют активную каталитическую роль, и поэтому aaRs имеют степень зависимости от магния. Увеличение концентрации Mg2 + приводит к увеличению констант равновесия для реакций аминоацил-тРНК-синтетаз. Хотя эта тенденция наблюдалась как в синтетазах класса I, так и в синтетазах класса II, зависимость от магния для двух классов очень различна. Синтетазы класса II имеют два или (чаще) три иона Mg2 + , тогда как класс I требует только одного иона Mg2 + . [10] [11]
Помимо отсутствия общей последовательности и структурного сходства, синтетазы класса I и класса II обладают разными механизмами распознавания АТФ. В то время как класс I связывается посредством взаимодействий, опосредованных водородными связями остова, класс II использует пару остатков аргинина для установления солевых мостиков к своему лиганду АТФ. Эта оппозиционная реализация проявляется в двух структурных мотивах, скобках остова и аргининовых пинцетах, которые наблюдаются во всех структурах класса I и класса II соответственно. Высокая структурная консервативность этих мотивов предполагает, что они, должно быть, присутствовали с древних времен. [12]
Большинство aaRS данной специфичности эволюционно ближе друг к другу, чем к aaRS другой специфичности. Однако AsnRS и GlnRS группируются внутри AspRS и GluRS соответственно. Большинство aaRS данной специфичности также принадлежат к одному классу. Однако существуют две различные версии LysRS — одна из них принадлежит к семейству класса I, а другая — к семейству класса II. [ необходима цитата ]
Молекулярные филогении aaRS часто не согласуются с принятыми организменными филогениями . То есть, они нарушают так называемую каноническую филогенетическую модель, показанную большинством других ферментов для трех доменов жизни - Archaea , Bacteria и Eukarya . Более того, филогении, выведенные для aaRS различных аминокислот, часто не согласуются друг с другом. Кроме того, паралоги aaRS в пределах одного вида показывают высокую степень расхождения между собой. Это явные признаки того, что горизонтальный перенос происходил несколько раз в течение эволюционной истории aaRS. [13]
Широко распространенное мнение об эволюционной стабильности этого суперсемейства, означающее, что каждый организм имеет все aaRS для соответствующих аминокислот, является ошибочным. Крупномасштабный геномный анализ ~2500 прокариотических геномов показал, что во многих из них отсутствует один или несколько генов aaRS, тогда как во многих геномах есть 1 или несколько паралогов. [14] AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS и ValRS являются наиболее эволюционно стабильными членами семейства. GluRS, LysRS и CysRS часто имеют паралоги, тогда как AsnRS, GlnRS, PylRS и SepRS часто отсутствуют во многих геномах.
За исключением AlaRS, было обнаружено, что 19 из 20 человеческих aaRS добавили по крайней мере один новый домен или мотив. [15] Эти новые домены и мотивы различаются по функциям и наблюдаются в различных формах жизни. Общей новой функцией человеческих aaRS является обеспечение дополнительной регуляции биологических процессов. Существует теория, что увеличение числа aaRS, которые добавляют домены, обусловлено непрерывной эволюцией высших организмов с более сложными и эффективными строительными блоками и биологическими механизмами. Одним из ключевых доказательств этой теории является то, что после добавления нового домена к aaRS домен становится полностью интегрированным. Функциональность этого нового домена сохраняется с этого момента. [16]
По мере развития генетической эффективности у высших организмов были добавлены 13 новых доменов, не имеющих очевидной связи с каталитической активностью генов aaRSs.
В некоторых аминоацил-тРНК-синтетазах полость, которая удерживает аминокислоту, может быть мутирована и модифицирована для переноса неприродных аминокислот, синтезированных в лаборатории, и для присоединения их к определенным тРНК. Это расширяет генетический код за пределы двадцати канонических аминокислот, встречающихся в природе, чтобы включить также неприродную аминокислоту. Неприродная аминокислота кодируется бессмысленным (TAG, TGA, TAA) триплетом, квадруплетным кодоном или, в некоторых случаях, избыточным редким кодоном. Организм, который экспрессирует мутантную синтетазу, затем может быть генетически запрограммирован на включение неприродной аминокислоты в любую желаемую позицию в любом интересующем белке, что позволяет биохимикам или структурным биологам исследовать или изменять функцию белка. Например, можно начать с гена белка, который связывает определенную последовательность ДНК, и, направив неприродную аминокислоту с реактивной боковой цепью в сайт связывания, создать новый белок, который разрезает ДНК в целевой последовательности, а не связывает ее.
Мутируя аминоацил-тРНК-синтетазы, химики расширили генетические коды различных организмов, включив в них синтезированные в лабораторных условиях аминокислоты со всеми видами полезных свойств: фотореактивные, металлохелатирующие, ксенонхелатирующие, сшивающие, спин-резонансные, флуоресцентные, биотинилированные и окислительно-восстановительно-активные аминокислоты. [17] Другое применение — введение аминокислот, несущих реакционноспособные функциональные группы, для химической модификации целевого белка.
Причину некоторых заболеваний (таких как нейрональные патологии, рак, нарушенные метаболические состояния и аутоиммунные расстройства) связывают со специфическими мутациями аминоацил-тРНК-синтетаз. Болезнь Шарко-Мари-Тута (ШМТ) является наиболее частым наследственным заболеванием периферической нервной системы (нейрональное заболевание) и вызывается наследственной мутацией в гликоль-тРНК и тирозил-тРНК. [18] Диабет, метаболическое заболевание, вызывает окислительный стресс, который запускает накопление мутаций митохондриальной тРНК. Также было обнаружено, что тРНК-синтетазы могут быть частично вовлечены в этиологию рака. [19] Высокий уровень экспрессии или модификации aaRSs наблюдался в пределах ряда видов рака. Обычным результатом мутаций aaRSs является нарушение формы/образования димера, которое напрямую связано с его функцией. Эти корреляции между aaRS и некоторыми заболеваниями открыли новые возможности для синтеза терапевтических средств. [20]
Новые доменные дополнения к генам aaRS накапливаются и прогрессируют вверх по Древу Жизни . [21] [22] [23] Сильное эволюционное давление на эти небольшие некаталитические белковые домены предполагает их важность. [24] Результаты, полученные в 1999 году и позже, выявили ранее нераспознанный слой биологии: эти белки контролируют экспрессию генов в клетке происхождения и при высвобождении оказывают гомеостатический и развивающий контроль в определенных типах клеток человека, тканях и органах во время развития взрослого или плода или обоих, включая пути, связанные с ангиогенезом , воспалением , иммунным ответом , механистической мишенью сигнализации рапамицина (mTOR), апоптозом , онкогенезом и сигнализацией интерферона гамма (IFN- γ ) и p53 . [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33]
В 2022 году было обнаружено, что аминоацил-трнк-синтетазы могут включать альтернативные аминокислоты при нехватке их предшественников. В частности, триптофанил -тРНК-синтетаза ( WARS1 ) будет включать фенилаланин при истощении триптофана, по сути вызывая переназначение кодона W>F . [34] Истощение другого субстрата аминоацил-трнк-синтетаз, родственной тРНК, может иметь отношение к некоторым заболеваниям, например, болезни Шарко–Мари–Тута . Было показано, что варианты глицил-тРНК-синтетазы с мутацией CMT по-прежнему способны связывать тРНК-глицин, но не высвобождают его, что приводит к истощению клеточного пула глицил-тРНК-глицин, что, в свою очередь, приводит к остановке рибосомы на кодонах глицина во время трансляции мРНК. [35]
Мутации в митохондриальном ферменте связаны с рядом генетических нарушений, включая синдром Лея , синдром Веста и CAGSSS ( катаракта , дефицит гормона роста , сенсорная нейропатия , нейросенсорная потеря слуха и синдром скелетной дисплазии). [36]