В молекулярной биологии стоп -кодон (или терминирующий кодон ) представляет собой кодон ( триплет нуклеотидов в информационной РНК ), который сигнализирует об окончании процесса трансляции текущего белка . [1] Большинство кодонов в информационной РНК соответствуют добавлению аминокислоты к растущей полипептидной цепи, которая в конечном итоге может стать белком; стоп-кодоны сигнализируют об окончании этого процесса путем связывания факторов высвобождения , которые вызывают диссоциацию субъединиц рибосомы , высвобождая аминокислотную цепь.
Хотя для запуска трансляции стартовым кодонам необходимы близлежащие последовательности или факторы инициации , для инициации терминации достаточно одного стоп-кодона.
В стандартном генетическом коде имеется три разных терминирующих кодона:
Существуют вариации стандартного генетического кода , а альтернативные стоп-кодоны были обнаружены в митохондриальных геномах позвоночных животных , [2] Scenedesmus obliquus , [3] и Thraustochytrium . [4]
Ядерный генетический код является гибким, о чем свидетельствуют варианты генетических кодов, которые переназначают стандартные стоп-кодоны на аминокислоты. [5]
В 1986 году были представлены убедительные доказательства того, что селеноцистеин (Sec) был включен котрансляционно. Более того, кодон, частично управляющий его включением в полипептидную цепь, был идентифицирован как UGA, также известный как опаловый терминирующий кодон. [6] Различные механизмы отмены функции терминации этого кодона были идентифицированы у прокариот и эукариот. [7] Особое различие между этими царствами заключается в том, что цис-элементы, по-видимому, ограничены окрестностями кодона UAG у прокариот, тогда как у эукариот это ограничение отсутствует. Вместо этого такие места кажутся нежелательными, хотя и не запрещенными. [8]
В 2003 году в знаковой статье была описана идентификация всех известных селенопротеинов у человека: всего 25. [9] Аналогичные анализы проводились и для других организмов.
Кодон UAG может транслироваться в пирролизин (Pyl) аналогичным образом.
Распределение стоп-кодонов в геноме организма неслучайно и может коррелировать с содержанием GC . [10] [11] Например, геном E. coli K-12 содержит 2705 TAA (63%), 1257 TGA (29%) и 326 TAG (8%) стоп-кодонов (содержание GC 50,8%). [12] Кроме того, субстраты для фактора высвобождения стоп-кодонов 1 или фактора высвобождения 2 сильно коррелируют с обилием стоп-кодонов. [11] Крупномасштабное исследование бактерий с широким диапазоном содержания GC показывает, что, хотя частота встречаемости TAA отрицательно коррелирует с содержанием GC, а частота встречаемости TGA положительно коррелирует с содержанием GC, Частота встречаемости стоп-кодона TAG, который часто является минимально используемым стоп-кодоном в геноме, не зависит от содержания GC. [13]
Распознавание стоп-кодонов у бактерий связано с так называемым «трипептидным антикодоном», [14] высококонсервативным аминокислотным мотивом в RF1 (PxT) и RF2 (SPF). Несмотря на то, что это подтверждается структурными исследованиями, было показано, что гипотеза трипептидных антикодонов является чрезмерным упрощением. [15]
Стоп-кодонам исторически давали много разных названий, поскольку каждый из них соответствовал отдельному классу мутантов, которые вели себя одинаково. Эти мутанты были впервые выделены внутри бактериофагов ( Т4 и лямбда ), вирусов , которые инфицируют бактерии Escherichia coli . Мутации в вирусных генах ослабляли их инфекционную способность, иногда создавая вирусы, способные заражать и расти только в определенных разновидностях кишечной палочки .
Это был первый набор обнаруженных бессмысленных мутаций , выделенных Ричардом Х. Эпштейном и Чарльзом Стейнбергом и названных в честь их друга и аспиранта Калифорнийского технологического института Харриса Бернштейна, чья фамилия на немецком языке означает « янтарь » ( ср. Бернштейн). [16] [17]
Вирусы с янтарными мутациями характеризуются способностью инфицировать только определенные штаммы бактерий, известные как янтарные супрессоры. Эти бактерии несут собственную мутацию, которая позволяет восстановить функции мутантных вирусов. Например, мутация в тРНК, которая распознает янтарный стоп-кодон, позволяет трансляции «прочитать» кодон и произвести полноразмерный белок, тем самым восстанавливая нормальную форму белка и «подавляя» янтарную мутацию. [18] Таким образом, янтарные мутанты представляют собой целый класс вирусных мутантов, которые могут расти в бактериях, содержащих мутации-супрессоры янтарного цвета. Подобные супрессоры известны также для стоп-кодонов охры и опала.
Молекулы тРНК, несущие неприродные аминокислоты, были разработаны для распознавания янтарного стоп-кодона в бактериальной РНК. Эта технология позволяет включать ортогональные аминокислоты (такие как п-азидофенилаланин) в определенные места целевого белка.
Это была вторая обнаруженная мутация стоп-кодона. Этот второй стоп-кодон, напоминающий обычный желто-оранжево-коричневый цвет янтаря, получил название « охра » — оранжево-красновато-коричневый минеральный пигмент. [17]
Вирусы-мутанты охры обладали свойством, аналогичным мутантам янтаря, в том, что они восстанавливали инфекционную способность в определенных штаммах-супрессорах бактерий. Набор супрессоров охры отличался от супрессоров янтаря, поэтому было сделано вывод, что мутанты охры соответствуют другому триплету нуклеотидов. Посредством серии экспериментов по мутациям, сравнивающих эти мутанты друг с другом и с другими известными кодонами аминокислот, Сидни Бреннер пришел к выводу, что мутации янтаря и охры соответствуют тройкам нуклеотидов «UAG» и «UAA». [19]
Вскоре после этого был обнаружен третий и последний стоп-кодон в стандартном генетическом коде, который соответствует триплету нуклеотидов «UGA». [20]
Чтобы продолжить тему цветных минералов, третий нонсенс-кодон стал известен как « опал » , который представляет собой разновидность кремнезема, демонстрирующего различные цвета. [17] Нонсенс-мутации, которые создали этот преждевременный стоп-кодон, позже были названы опаловыми мутациями или мутациями умбры .
Нонсенс-мутации — это изменения в последовательности ДНК, которые приводят к появлению преждевременного стоп-кодона, вызывая аномальное укорочение любого полученного белка. Это часто приводит к потере функции белка, поскольку критические части аминокислотной цепи больше не собираются. Из-за этой терминологии стоп-кодоны также называют бессмысленными кодонами .
Непрерывная мутация , также называемая вариантом стоп-лосса , представляет собой точечную мутацию , возникающую внутри стоп-кодона. Непрерывные мутации вызывают продолжающуюся трансляцию цепи мРНК в область, которая должна быть нетранслируемой. Большинство полипептидов , возникающих в результате гена с непрекращающейся мутацией, теряют свою функцию из-за своей чрезмерной длины и влияния на нормальную укладку. Нестоп-мутации отличаются от бессмысленных мутаций тем, что они не создают стоп-кодон, а вместо этого удаляют его. Нестопные мутации также отличаются от миссенс-мутаций , которые представляют собой точечные мутации, при которых один нуклеотид изменяется, вызывая замену на другую аминокислоту . Непрерывные мутации связаны со многими наследственными заболеваниями, включая эндокринные расстройства, [21] заболевания глаз, [22] и нарушения нервного развития . [23] [24]
Скрытые стоп -кодоны — это непрерывные кодоны, которые будут считываться как стоп-кодоны, если бы они были сдвинуты на +1 или -1. Они преждевременно прекращают трансляцию, если соответствующий сдвиг рамки (например, из-за скольжения рибосомальной РНК) происходит до скрытой остановки. Предполагается, что это уменьшает потери ресурсов на нефункциональные белки и выработку потенциальных цитотоксинов . Исследователи из Университета штата Луизиана выдвигают гипотезу о засаде , в которой выбираются скрытые остановки. Кодоны, которые могут образовывать скрытые остановки, используются в геномах чаще, чем синонимичные кодоны, которые в противном случае кодировали бы ту же аминокислоту. Нестабильная рРНК в организме коррелирует с более высокой частотой скрытых остановок. [25] Однако эта гипотеза не может быть подтверждена на большем наборе данных. [26]
Стоп-кодоны и скрытые остановки вместе называются стоп-сигналами. Исследователи из Университета Мемфиса обнаружили, что соотношения стоп-сигналов в трех рамках считывания генома (называемые соотношением стоп-сигналов трансляции или TSSR) генетически родственных бактерий, несмотря на их большие различия в содержании генов, во многом схожи. . Это почти идентичное значение геномного TSSR у генетически родственных бактерий может указывать на то, что расширение бактериального генома ограничено их уникальной предвзятостью стоп-сигналов для этих видов бактерий. [27]
Подавление стоп-кодона или трансляционное считывание происходит, когда при трансляции стоп-кодон интерпретируется как смысловой кодон, то есть когда (стандартная) аминокислота «кодируется» стоп-кодоном. Причиной прочтения могут быть мутированные тРНК , а также определенные нуклеотидные мотивы, близкие к стоп-кодону. Трансляционное считывание очень распространено у вирусов и бактерий, а также было обнаружено в качестве принципа регуляции генов у человека, дрожжей, бактерий и дрозофил. [28] [29] Этот вид эндогенного трансляционного считывания представляет собой разновидность генетического кода , поскольку стоп-кодон кодирует аминокислоту. В случае малатдегидрогеназы человека стоп-кодон считывается с частотой около 4%. [30] Аминокислота, вставленная в стоп-кодон, зависит от идентичности самого стоп-кодона: Gln, Tyr и Lys были обнаружены для кодонов UAA и UAG, а Cys, Trp и Arg для кодона UGA были обнаружены. идентифицированы масс-спектрометрией. [31] Степень прочтения у млекопитающих варьируется в широких пределах и может широко диверсифицировать протеом и влиять на прогрессирование рака. [32]
В 2010 году, когда Крейг Вентер представил первую полностью функционирующую воспроизводящую клетку, управляемую синтетической ДНК , он описал, как его команда использовала частые стоп-кодоны для создания водяных знаков в РНК и ДНК, чтобы помочь подтвердить, что результаты действительно были синтетическими (а не загрязненными или иным образом). используя его для кодирования имен авторов и адресов веб-сайтов. [33]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )