stringtranslate.com

Стоп-кодон

Стоп-кодон (красная точка) гена MT-ATP8 митохондриальной ДНК человека и стартовый кодон (синий кружок) гена MT-ATP6 . Для каждого триплета нуклеотидов (квадратные скобки) указана соответствующая аминокислота (однобуквенный код) либо в рамке считывания +1 для MT-ATP8 (красный цвет), либо в рамке +3 для MT-ATP6 (синий цвет). ). В этой геномной области два гена перекрываются .

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.

Характеристики

Стандартные кодоны

В стандартном генетическом коде имеется три разных терминирующих кодона:

Альтернативные стоп-кодоны

Существуют вариации стандартного генетического кода , а альтернативные стоп-кодоны были обнаружены в митохондриальных геномах позвоночных животных , [2] Scenedesmus obliquus , [3] и Thraustochytrium . [4]

Переназначенные стоп-кодоны

Ядерный генетический код является гибким, о чем свидетельствуют варианты генетических кодов, которые переназначают стандартные стоп-кодоны на аминокислоты. [5]

Перевод

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.

Геномное распределение

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]

Признание

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]

Номенклатура

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 .

янтарные мутации ( UAG)

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.

мутации охрыUAA ( )

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]

мутации опала или умбрыUGA ( )

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 .

Мутации и болезни

Ерунда

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 .

Без остановки

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 остановки

Пример делеции одного основания, образующей стоп-кодон.

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]

Трансляционное чтение

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]

Использовать в качестве водяного знака

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гриффитс AJF, Миллер JH, Suzuki DT, Левонтин RC, Гелбарт WM (2000). «Глава 10 (Молекулярная биология функций генов): Генетический код: стоп-кодоны». Введение в генетический анализ . WH Фриман и компания.
  2. ^ Баррелл, Б.Г.; Банкир, AT; Друэн, Дж. (8 ноября 1979 г.). «Другой генетический код в митохондриях человека». Природа . 282 (5735): 189–194. Бибкод : 1979Natur.282..189B. дои : 10.1038/282189a0. ISSN  0028-0836. PMID  226894. S2CID  4335828.
  3. ^ AM Nedelcu, RW Lee, G. Lemieux, MW Gray, G. Burger (июнь 2000 г.). «Полная последовательность митохондриальной ДНК Scenedesmus obliquus отражает промежуточную стадию эволюции митохондриального генома зеленых водорослей». Геномные исследования . 10 (6): 819–831. дои :10.1101/гр.10.6.819. ПМК 310893 . ПМИД  10854413. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Уайдман, Джереми Г.; Монье, Адам; Родригес-Мартинес, Ракель; Леонард, Гай; Кук, Эмили; Пуарье, Камилла; Магуайр, Финли; Милнер, Дэвид С.; Ирвин, Николас А.Т.; Мур, Карен; Санторо, Элисон Э. (25 ноября 2019 г.). «Неожиданное разнообразие митохондриального генома, выявленное с помощью целенаправленной одноклеточной геномики гетеротрофных жгутиковых простейших». Природная микробиология . 5 (1): 154–165. дои : 10.1038/s41564-019-0605-4. hdl : 10871/39819 . ISSN  2058-5276. PMID  31768028. S2CID  208279678.
  5. ^ Сварт, Эстьен Карл; Серра, Валентина; Петрони, Джулио; Новацкий, Мариуш (2016). «Генетические коды без выделенного стоп-кодона: контекстно-зависимое завершение трансляции». Клетка . 166 (3): 691–702. doi :10.1016/j.cell.2016.06.020. ПМЦ 4967479 . ПМИД  27426948. 
  6. ^ Зинони, Ф; Биркманн, А; Штадтман, Т; Бёк, А (1986). «Нуклеотидная последовательность и экспрессия селеноцистеинсодержащего полипептида формиатдегидрогеназы (связанной с формиат-гидрогенлиазой) из Escherichia coli». Труды Национальной академии наук . 83 (13): 4650–4654. Бибкод : 1986PNAS...83.4650Z. дои : 10.1073/pnas.83.13.4650 . ПМЦ 323799 . ПМИД  2941757. 
  7. ^ Бёк, А (2013). «Синтез селенопротеинов». Энциклопедия биологической химии . стр. 210–213. дои : 10.1016/B978-0-12-378630-2.00025-6. ISBN 9780123786319. Проверено 23 августа 2021 г.
  8. ^ Микс, Ч; Лобанов А; Гладышев, В (2007). «Элементы SECIS в кодирующих областях транскриптов селенопротеина функциональны у высших эукариот». Исследования нуклеиновых кислот . 35 (2): 414–423. дои : 10.1093/nar/gkl1060. ПМК 1802603 . ПМИД  17169995. 
  9. ^ Крюков, Г; Гладышев, В (2003). «Характеристика селенопротеомов млекопитающих». Наука . 300 (5624): 1439–1443. Бибкод : 2003Sci...300.1439K. дои : 10.1126/science.1083516. PMID  12775843. S2CID  10363908.
  10. ^ Поволоцкая И.С., Кондрашов Ф.А., Ледда А., Власов П.К. (2012). «Стоп-кодоны у бактерий не избирательно эквивалентны». Биология Директ . 7:30 . дои : 10.1186/1745-6150-7-30 . ПМЦ 3549826 . ПМИД  22974057. 
  11. ^ аб Коркмаз, Гюркан; Холм, Микаэль; Винс, Тобиас; Саньял, Супарна (2014). «Комплексный анализ использования стоп-кодонов в бактериях и его корреляция с содержанием фактора высвобождения». Журнал биологической химии . 289 (44): 775–806. дои : 10.1074/jbc.M114.606632 . ПМК 4215218 . ПМИД  25217634. 
  12. ^ «Escherichia coli str. K-12 substr. MG1655, полный геном [инвентарный номер банка генов: U00096]» . ГенБанк . НКБИ . Проверено 27 января 2013 г.
  13. ^ Вонг, Тит-Йи; Фернандес, Санжит; Санкхон, Наби; Леонг, Патрик П.; Куо, Джимми; Лю, Чен-Кан (2008). «Роль преждевременных стоп-кодонов в эволюции бактерий». Журнал бактериологии . 190 (20): 6718–6725. дои : 10.1128/JB.00682-08. ПМК 2566208 . ПМИД  18708500. 
  14. ^ Ито, Коичи; Уно, Макико; Накамура, Ёсиказу (1999). «Трипептид «антикодон» расшифровывает стоп-кодоны в информационной РНК». Природа . 403 (6770): 680–684. дои : 10.1038/35001115. PMID  10688208. S2CID  4331695.
  15. ^ Коркмаз, Гюркан; Саньял, Супарна (2017). «Мутация R213I в факторе высвобождения 2 (RF2) является шагом вперед в создании всемогущего фактора высвобождения в бактериях Escherichia coli». Журнал биологической химии . 292 (36): 15134–15142. дои : 10.1074/jbc.M117.785238 . ПМК 5592688 . ПМИД  28743745. 
  16. ^ Шталь FW (1995). «Янтарные мутанты фага Т4». Генетика . 141 (2): 439–442. дои : 10.1093/генетика/141.2.439. ПМЦ 1206745 . ПМИД  8647382. 
  17. ^ abc Левин, Бенджамин; Кребс, Джоселин Э.; Гольдштейн, Эллиот С.; Килпатрик, Стивен Т. (18 апреля 2011 г.). Основные гены Левина. Издательство Джонс и Бартлетт. ISBN 978-1-4496-4380-5.
  18. ^ Робин Кук. «Сводка мутаций янтаря, охры и опала». Мир генетики . Гейл.
  19. ^ Бреннер, С.; Стреттон, АОУ; Каплан, С. (1965). «Генетический код: «бессмысленные» тройки для обрыва цепи и их подавления». Природа . 206 (4988): 994–8. Бибкод : 1965Natur.206..994B. дои : 10.1038/206994a0. PMID  5320272. S2CID  28502898.
  20. ^ Бреннер, С.; Барнетт, Л.; Кац, скорая помощь; Крик, FHC (1967). «УГА: третья бессмысленная тройка в генетическом коде». Природа . 213 (5075): 449–50. Бибкод : 1967Natur.213..449B. дои : 10.1038/213449a0. PMID  6032223. S2CID  4211867.
  21. ^ Панг С.; Ван В.; и другие. (2002). «Новая безостановочная мутация стоп-кодона и новая миссенс-мутация в гене 3бета-гидроксистероиддегидрогеназы (3beta-HSD) типа II, вызывающая, соответственно, неклассическую и классическую врожденную гиперплазию надпочечников с дефицитом 3beta-HSD». J Clin Эндокринол Метаб . 87 (6): 2556–63. дои : 10.1210/jcem.87.6.8559 . ПМИД  12050213.
  22. ^ Дусетт, Л.; и другие. (2011). «Новая непрерывная мутация в FOXE3 вызывает аутосомно-доминантную форму дисгенезии вариабельного переднего сегмента, включая аномалию Петерса». Европейский журнал генетики человека . 19 (3): 293–299. дои : 10.1038/ejhg.2010.210. ПМК 3062009 . ПМИД  21150893. 
  23. ^ Торрес-Торронтерас, Дж.; Родригес-Пальмеро, А.; и другие. (2011). «Новая безостановочная мутация в TYMP не вызывает безостановочного распада мРНК у пациента MNGIE с тяжелой нейропатией» (PDF) . Хм. Мутат . 32 (4): E2061–E2068. дои : 10.1002/humu.21447. PMID  21412940. S2CID  24446773.
  24. ^ Сполл, Р; Сталь, Д; Барвик, К; Прабхакар, П; Уэйклинг, Э; Куриан, Массачусетс (23 июля 2022 г.). «Мутация стоп-лосса STXBP1, связанная со сложным двигательным расстройством с ранним началом без эпилепсии». Клиническая практика двигательных расстройств . 9 (6): 837–840. дои : 10.1002/mdc3.13509. ISSN  2330-1619. ПМЦ 9346254 . ПМИД  35937496. 
  25. ^ Селигманн, Эрве; Поллок, Дэвид Д. (2004). «Гипотеза засады: скрытые стоп-кодоны предотвращают внекадровое чтение генов». ДНК и клеточная биология . 23 (10): 701–5. дои : 10.1089/1044549042476910. ПМИД  15585128.
  26. ^ Кавальканти, Андре; Чанг, Шарлотта Х.; Моргенс, Дэвид В. (2013). «Гипотеза засады: прогнозирование и оценка частот внекадровых кодонов в геномах прокариот». БМК Геномика . 14 (418): 1–8. дои : 10.1186/1471-2164-14-418 . ПМК 3700767 . ПМИД  23799949. 
  27. ^ Вонг, Тит-Йи; Шварцбах, Стив (2015). «Неправильная терминация белка инициирует генетические заболевания, рак и ограничивает расширение бактериального генома». Журнал экологических наук и здоровья, часть C. 33 (3): 255–85. дои : 10.1080/10590501.2015.1053461. PMID  26087060. S2CID  20380447.
  28. ^ Нэми О, Руссе Дж.П., Наптин С., Брирли I (2004). «Перепрограммированное генетическое декодирование клеточной экспрессии генов». Молекулярная клетка . 13 (2): 157–68. дои : 10.1016/S1097-2765(04)00031-0 . ПМИД  14759362.
  29. ^ Шурен Ф., Лингнер Т., Джордж Р., Хофхейс Дж., Гартнер Дж., Томс С. (2014). «Пероксисомальная лактатдегидрогеназа генерируется путем трансляционного чтения у млекопитающих». электронная жизнь . 3 : e03640. doi : 10.7554/eLife.03640 . ПМЦ 4359377 . ПМИД  25247702. 
  30. ^ Хофхейс Дж., Шурен Ф., Нётцель С., Лингнер Т., Гертнер Дж., Ян О., Томс С. (2016). «Функциональное расширение малатдегидрогеназы выявляет модификацию генетического кода». Открытая Биол . 6 (11): 160246. doi :10.1098/rsob.160246. ПМК 5133446 . ПМИД  27881739. 
  31. ^ Бланше С., Корню Д., Аргентини М., Нами О (2014). «Новые сведения о включении естественных тРНК-супрессоров в стоп-кодоны Saccharomyces cerevisiae». Нуклеиновые кислоты Рез . 42 (15): 10061–72. дои : 10.1093/nar/gku663. ПМК 4150775 . ПМИД  25056309. 
  32. ^ Гош, Сувик; Гимарайнш, Жоау К; Ланзафаме, Мануэла; Шмидт, Александр; Сайед, Афзал-паша; Димитриадес, Беатрис; Бёрш, Анастасия; Гош, Шримойи; Миттал, Нитиш; Монтавон, Томас; Коррейя, Ана Луиза; Даннер, Йоханнес; Мейстер, Гюнтер; Терраччано, Луиджи М; Пфеффер, Себастьян; Пискуольо, Сальваторе; Заволан, Михаэла (15 сентября 2020 г.). «Предотвращение передачи сигналов интерферона, индуцированной дцРНК, с помощью AGO1x связано с пролиферацией клеток рака молочной железы». Журнал ЭМБО . 39 (18): e103922. дои : 10.15252/embj.2019103922. ПМЦ 7507497 . ПМИД  32812257. 
  33. ^ «Смотрите, как я раскрываю «синтетическую жизнь»» . 21 мая 2010 г.