Аминоацил -тРНК-синтетаза ( aaRS или ARS ), также называемая тРНК-лигазой, представляет собой фермент , который присоединяет соответствующую аминокислоту к соответствующей тРНК . Это происходит путем катализа переэтерификации специфической родственной аминокислоты или ее предшественника в одну из всех ее совместимых родственных тРНК с образованием аминоацил-тРНК . У человека 20 различных типов аа-тРНК производятся 20 различными аминоацил-тРНК-синтетазами, по одному на каждую аминокислоту генетического кода .
Иногда это называют «зарядкой» или «загрузкой» тРНК аминокислотой. Как только тРНК заряжена, рибосома может переносить аминокислоту из тРНК на растущий пептид в соответствии с генетическим кодом. Таким образом, аминоацил-тРНК играет важную роль в трансляции РНК , экспрессии генов для создания белков.
Синтетаза сначала связывает АТФ и соответствующую аминокислоту (или ее предшественник ) с образованием аминоациладенилата, высвобождая неорганический пирофосфат (PPi). Затем комплекс аденилат-aaRS связывает D-плечо соответствующей молекулы тРНК , и аминокислота переносится от аа-АМФ либо к 2'-, либо к 3'-ОН последнего нуклеотида тРНК (А76) в 3'-конце. конец .
Механизм можно резюмировать в следующей серии реакций:
Суммируя реакции, общая высокоэкзергоническая реакция выглядит следующим образом:
Некоторые синтетазы также опосредуют реакцию редактирования , обеспечивающую высокую точность зарядки тРНК. Если добавляется неправильная тРНК (т. е. обнаруживается, что тРНК неправильно заряжена), 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 связывают со словом «суперспецифичность», когда ее сравнивают с другими ферментами, участвующими в метаболизме. Хотя не все синтетазы имеют домен с единственной целью редактирования, они делают Это можно сделать за счет специфического связывания и активации дочерних аминокислот. Еще одним вкладом в точность этих синтетаз является соотношение концентраций аминоацил-тРНК-синтетазы и ее родственной тРНК, поскольку тРНК-синтетаза неправильно ацилирует тРНК, когда синтетаза вырабатывается в избытке. , 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 мигрирует в 3'-положение посредством переэтерификации .
Бактериальные аминоацил-тРНК-синтетазы можно сгруппировать следующим образом: [5]
Аминокислоты, в которых используется aaRS класса II, кажутся эволюционно более старыми. [6]
Оба класса аминоацил-тРНК-синтетаз являются мультидоменными белками. В типичном сценарии ааРС состоит из каталитического домена (где происходят обе вышеуказанные реакции) и антикодонсвязывающего домена (который взаимодействует в основном с антикодоновой областью тРНК). Транспортные РНК для разных аминокислот различаются не только по антикодонам, но и по другим точкам, что придает им несколько разные общие конфигурации. Аминоацил-тРНК-синтетазы распознают правильные тРНК прежде всего через их общую конфигурацию, а не только через их антикодон. [7] Кроме того, некоторые aaRS имеют дополнительные РНК-связывающие домены и домены редактирования [8] , которые расщепляют неправильно спаренные молекулы аминоацил-тРНК.
Обнаружено, что каталитические домены всех aaRS данного класса гомологичны друг другу, тогда как aaRS класса I и класса II не связаны друг с другом. AaRS класса I имеют цитидилилтрансферазоподобную складку Россмана, наблюдаемую в таких белках, как глицерин-3-фосфат-цитидилтрансфераза, никотинамиднуклеотидаденилилтрансфераза и архейная FAD-синтаза, тогда как aaRS класса II имеют уникальную складку, связанную с биотином и липоатлигазами.
Альфа -спиральный антикодон- связывающий домен аргинил-, глицил- и цистеинил-тРНК-синтетаз известен как домен DALR по названию характерных консервативных аминокислот . [9]
Кинетические исследования аминоацил-тРНК-синтетазы показали, что ионы Mg 2+ играют активную каталитическую роль и, следовательно, ааР имеют определенную степень зависимости от магния. Увеличение концентрации Mg 2+ приводит к увеличению констант равновесия реакций аминоацил-тРНК-синтетаз. Хотя эта тенденция наблюдалась как в синтетазах класса I, так и в классе II, зависимость от магния для этих двух классов очень различна. Синтетазы II класса содержат два или (чаще) три иона Mg 2+ , тогда как класс I требует только одного иона Mg 2+ . [10] [11]
Помимо отсутствия общего сходства последовательностей и структуры, синтетазы классов I и II обладают разными механизмами распознавания АТФ. В то время как класс I связывается посредством взаимодействий, опосредованных водородными связями основной цепи, класс II использует пару остатков аргинина для создания солевых мостиков с его АТФ-лигандом. Эта оппозиционная реализация проявляется в двух структурных мотивах: «Основных скобках» и «Аргининовых пинцетах», которые наблюдаются во всех структурах класса I и класса II соответственно. Высокая структурная консервативность этих мотивов предполагает, что они должны были присутствовать с древних времен. [12]
Большинство АРС одной специфичности эволюционно ближе друг к другу, чем к АРС другой специфичности. Однако AsnRS и GlnRS группируются в AspRS и GluRS соответственно. Большинство АРС той или иной специфичности также относятся к одному классу. Однако существуют две разные версии LysRS: одна принадлежит к семейству класса I, а другая — к семейству класса II. [ нужна цитата ]
Молекулярная филогения aaRS часто не согласуется с общепринятой филогенией организма . То есть они нарушают так называемый канонический филогенетический паттерн, демонстрируемый большинством других ферментов для трёх доменов жизни — архей , бактерий и эукариев . Более того, предполагаемая филогения aaRS разных аминокислот часто не согласуется друг с другом. Кроме того, паралоги aaRS внутри одного вида демонстрируют высокую степень дивергенции между собой. Это явные признаки того, что горизонтальный перенос происходил несколько раз в истории эволюции aaRS. [13]
Широко распространенное убеждение в эволюционной стабильности этого суперсемейства, означающее, что каждый организм имеет все aaRS для соответствующих аминокислот, ошибочно. Крупномасштабный геномный анализ ~2500 геномов прокариот показал, что во многих из них отсутствует один или несколько генов aaRS, тогда как многие геномы имеют 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 aaRS человека является обеспечение дополнительной регуляции биологических процессов. Существует теория, согласно которой увеличение числа aaRS, добавляющих домены, связано с 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. С этого момента функциональность нового домена сохраняется. [16]
По мере развития генетической эффективности у высших организмов были добавлены 13 новых доменов, не имеющих очевидной связи с каталитической активностью генов aaRS.
В некоторых аминоацил-тРНК-синтетазах полость, содержащая аминокислоту, может быть мутирована и модифицирована для переноса неприродных аминокислот, синтезированных в лаборатории, и для прикрепления их к специфическим тРНК. Это расширяет генетический код за пределы двадцати канонических аминокислот, встречающихся в природе, и включает также неприродную аминокислоту. Неприродная аминокислота кодируется нонсенс-триплетом (TAG, TGA, TAA), четверным кодоном или, в некоторых случаях, избыточным редким кодоном. Организм, экспрессирующий мутантную синтетазу, затем может быть генетически запрограммирован на включение неприродной аминокислоты в любое желаемое положение в любом интересующем белке, что позволит биохимикам или структурным биологам исследовать или изменить функцию белка. Например, можно начать с гена белка, который связывает определенную последовательность ДНК, и, направляя неприродную аминокислоту с реактивной боковой цепью в сайт связывания, создать новый белок, который разрезает ДНК в нужном месте. -последовательность, а не связывать ее.
Мутировав аминоацил-тРНК-синтетазы, химики расширили генетические коды различных организмов, включив в них синтезированные в лаборатории аминокислоты со всеми видами полезных свойств: фотореактивными, металлохелатирующими, ксенон-хелатирующими, сшивающими, спин-резонансными, флуоресцентными, биотинилированными и редокс-активные аминокислоты. [17] Другое применение — введение аминокислот, несущих реакционноспособные функциональные группы, для химической модификации целевого белка.
Причины некоторых заболеваний (таких как нейрональные патологии, рак, нарушения обмена веществ и аутоиммунные расстройства) коррелируют со специфическими мутациями аминоацил-тРНК-синтетаз. Шарко-Мари-Тута (ШМТ) — наиболее частое наследственное заболевание периферической нервной системы (нейронное заболевание), вызываемое наследственной мутацией гликоль-тРНК и тирозил-тРНК. [18] Диабет, метаболическое заболевание, вызывает окислительный стресс, который вызывает накопление мутаций митохондриальной тРНК. Также было обнаружено, что тРНК-синтетазы могут частично участвовать в этиологии рака. [19] Высокий уровень экспрессии или модификации aaRS наблюдался при ряде видов рака. Распространенным результатом мутаций aaRS является нарушение формы/образования димера, которое имеет прямую связь с его функцией. Эти корреляции между АРС и некоторыми заболеваниями открыли новые возможности для синтеза терапевтических средств. [20]
Новые доменные дополнения к генам aaRS накапливаются и продвигаются вверх по Древу Жизни . [21] [22] [23] Сильное эволюционное давление на эти небольшие некаталитические белковые домены свидетельствует об их важности. [24] Результаты, начавшиеся в 1999 году и позднее, выявили ранее непризнанный уровень биологии: эти белки контролируют экспрессию генов внутри исходной клетки, а при высвобождении оказывают гомеостатический контроль и контроль развития в определенных типах клеток, тканях и органах человека во время развития взрослого человека или плода. или оба, включая пути, связанные с ангиогенезом , воспалением , иммунным ответом , механизмом мишени передачи сигналов рапамицина (mTOR), апоптозом , онкогенезом и передачей сигналов интерферона гамма (IFN- γ ) и p53 . [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33]
В 2022 году было обнаружено, что аминоацил-трна-синтетазы могут включать альтернативные аминокислоты при нехватке их предшественников. В частности, триптофанил -тРНК-синтетаза ( WARS1 ) включает фенилаланин во время истощения триптофана, по существу индуцируя переназначение кодона W>F . [34] Истощение другого субстрата аминоацил-тРНК-синтетазы, родственной тРНК, может быть связано с некоторыми заболеваниями, например болезнью Шарко-Мари-Тута . Было показано, что варианты глицил-тРНК-синтетазы с мутацией CMT все еще способны связывать тРНК-гли, но не высвобождают ее, что приводит к истощению клеточного пула глицил-тРНК-гли, что, в свою очередь, приводит к остановке рибосомы на глициновые кодоны во время трансляции мРНК. [35]
Мутации митохондриального фермента связаны с рядом генетических нарушений, включая синдром Ли , синдром Веста и CAGSSS ( катаракта , дефицит гормона роста , сенсорная нейропатия , нейросенсорная тугоухость и синдром скелетной дисплазии). [36]