stringtranslate.com

Конформационная корректура

Конформационная корректура или конформационный отбор — это общий механизм молекулярных систем распознавания , предложенный Йонатаном Савиром и Цви Тлусти, в котором введение энергетического барьера — такого как структурное несоответствие между молекулярным распознавателем и его целью — повышает специфичность и качество распознавания. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Конформационная корректура не требует потребления энергии и поэтому может использоваться в любой молекулярной системе распознавания. Конформационная корректура особенно полезна в сценариях, где распознаватель должен выбрать подходящую цель среди многих похожих конкурентов. Белки развивают способность к конформационной корректуре посредством тонкой настройки своей геометрии, гибкости и химических взаимодействий с целью. [7]

Балансировка правильного и неправильного связывания

Молекулярное распознавание происходит в шумной, переполненной биологической среде, и распознаватель часто должен справляться с задачей выбора своей цели среди множества похожих конкурентов. Например, рибосома должна выбрать правильную тРНК , которая соответствует кодону мРНК , среди многих структурно похожих тРНК. Если распознаватель и его правильная цель идеально совпадают, как замок и ключ , то вероятность связывания будет высокой, поскольку при связывании не требуется никакой деформации. В то же время распознаватель также может с высокой вероятностью связываться с конкурентом с похожей структурой. Введение энергетического барьера , в частности, структурного несоответствия между распознавателем (замком) и ключом, снижает вероятность связывания с правильной целью, но еще больше снижает вероятность связывания с похожей неправильной целью и, таким образом, улучшает специфичность. [1] [2] [3] [7] Тем не менее, введение слишком большой деформации резко снижает вероятность связывания с правильной целью. Следовательно, оптимальный баланс между максимизацией правильной вероятности связывания и минимизацией неправильной вероятности связывания достигается, когда распознаватель немного не соответствует цели . Это говорит о том, что конформационные изменения во время процессов молекулярного распознавания, такие как механизм индуцированного соответствия [8] , выгодны для повышения специфичности распознавания. Такие конформационные изменения могут быть точно настроены мутациями, которые влияют на механический ответ распознавателя, также в позициях, далеких от места связывания. [7]

В конформационной корректуре введение структурного несоответствия или энергетического барьера между молекулярным распознавателем и его целью, или энергетический барьер, повышает специфичность и качество распознавания. Улучшение может достигать нескольких порядков величины.
Конформационная коррекция при гомологичной рекомбинации . Вверху : Вероятность связывания с гомологичной (правильной) и негомологичной (неправильной) последовательностями ДНК уменьшается с энергетическим барьером деформации . Вероятность неправильного связывания уменьшается перед правильным. Внизу : В результате, пригодность, которая является разностью, пригодность = Вероятность(правильно) − Вероятность(неправильно), максимальна при ненулевой энергии деформации. Этот барьер оптимален в том смысле, что он значительно снижает вероятность связывания, сохраняя при этом вероятность правильного связывания примерно такой же. Биохимические измерения рекомбинации, вызванной RecA, показывают, что наблюдаемая деформация близка к оптимальной. [3] [4]

Использование гомологичной рекомбинации для поиска гомологии

Механизм конформационной корректуры используется в системе гомологичной рекомбинации для различения похожих последовательностей ДНК. [3] [4] Гомологичная рекомбинация облегчает обмен генетическим материалом между гомологичными молекулами ДНК. Этот важнейший процесс требует обнаружения определенной гомологичной последовательности ДНК среди огромного множества гетерологичных последовательностей. Обнаружение опосредуется RecA в E. coli или членами его суперсемейства в других организмах. RecA сначала полимеризуется вдоль участка одноцепочечной ДНК, а затем эта белковая ДНК-нить ищет гомологию вдоль двухцепочечной ДНК. В RecA-ДНК-нити расстояние между основаниями значительно увеличивается по сравнению с голыми 3,4 Å в двухцепочечной (в среднем на 50% [9] ). Это устанавливает значительный энергетический барьер для поиска, поскольку двухцепочечная ДНК должна растянуться на ту же величину, чтобы проверить гомологию. Формулируя процесс распознавания ДНК как проблему обнаружения сигнала, было показано, что экспериментально наблюдаемая деформация ДНК, вызванная RecA, и энергетика связывания точно настроены для обеспечения оптимального обнаружения последовательности. Величина деформации такова, что связывание с гомологичными последовательностями ДНК уменьшается лишь незначительно, в то время как связывание с неправильными последовательностями уменьшается значительно. Это и есть механизм конформационной корректуры.

Экспериментальные доказательства конформационной коррекции путем гомологичной рекомбинации

Группа К. Деккера (Университет Делфта) напрямую исследовала взаимодействия, вовлеченные в поиск гомологии, комбинируя магнитный и оптический пинцеты. [10] Они обнаружили, что поиск гомологии и распознавание требуют открытия спирали и, следовательно, могут быть ускорены путем раскручивания ДНК. Это именно тот энергетический барьер, который предсказывает модель конформационной корректуры. Данные указывают на физическую картину распознавания гомологии, в которой точность процесса поиска регулируется расстоянием между участками связывания ДНК. Авторы приходят к выводу, что их интерпретация измерений «сродни схеме конформационной корректуры ... где dsDNA, а не нить RecA, является активным, распознающим объектом поиска. Существует большое конформационное несоответствие между связанными с целью и несвязанными состояниями dsDNA. Доступ к связанному с целью состоянию осуществляется через энергетически неблагоприятные промежуточные состояния, как обсуждалось выше. Конформационное несоответствие улучшает селективность реакции распознавания». Другими словами, они определили энергетический барьер и показали, что действительно двухцепочечная ДНК является активным участником, поскольку ей приходится преодолевать этот барьер.

Использование рибосомой для декодирования тРНК

Рибосома — это сложная молекулярная машина, которая для синтеза белков в процессе трансляции должна декодировать мРНК , спаривая их кодоны с соответствующими тРНК . Декодирование является основным фактором, определяющим приспособленность, и требует точного и быстрого выбора правильных тРНК среди множества похожих конкурентов. Необходимо иметь в виду, что большинство событий связывания происходят с несовпадающими («неродственными») тРНК, и рибосома должна отвергать их как можно быстрее, чтобы освободить место связывания. В то же время рибосома должна удерживать соответствующие тРНК связанными достаточно долго, чтобы позволить процессу синтеза белка произойти. Несмотря на важность декодирования тРНК, до недавнего времени было неясно, являются ли современная рибосома, и в частности ее большие конформационные изменения во время декодирования, результатом адаптации к своей задаче декодера или результатом других ограничений. Недавнее исследование [5] вывело энергетический ландшафт, который обеспечивает оптимальное различение между конкурирующими субстратами тРНК и, таким образом, оптимальное декодирование тРНК. Оптимальный ландшафт симметричен (см. изображение). Исследование показывает, что измеренный ландшафт прокариотической рибосомы действительно симметричен . Эта модель предполагает, что конформационные изменения рибосомы и тРНК во время декодирования являются средствами для получения такого оптимального декодера тРНК. Тот факт, что и гомологичная рекомбинация, и декодирование тРНК используют конформационную корректуру, предполагает, что это общий механизм, который может широко использоваться молекулярными системами распознавания.

Рибосома использует конформационную корректуру для декодирования тРНК . main : Кривые показывают ландшафт свободной энергии распознавания кодонов, как предполагалось в экспериментах. На стадиях, чувствительных к идентичности кодонов, пути правильных (зеленых) и неправильных (красных) тРНК разделяются. Многоступенчатая кинетика включает: Начальное связывание и распознавание кодонов: комплекс фактора элонгации (EF-Tu) и аминоацил-тРНК связывается с рибосомой. Кодон распознается путем спаривания с антикодоном и путем дополнительного взаимодействия с «центром декодирования» рибосомы. В результате правильные (родственные) тРНК более стабильны, чем неродственные. Активация и гидролиз ГТФ: Распознавание кодонов приводит к глобальным конформационным изменениям рибосомы и тРНК, которые различны для родственных или неродственных тРНК и влияют на активацию и гидролиз ГТФ EF-Tu. Модель конформационной корректуры объясняет эти конформационные изменения как средство улучшения распознавания тРНК. Вставка : Симметричный адаптированный ландшафт подразумевает, что соотношение прямых и обратных скоростей инвертировано между правильными и неправильными энергетическими ландшафтами. [5]

В других биологических системах

Восстановление повреждений человека от ультрафиолета

Недавнее исследование показывает, что конформационная корректура используется механизмами репарации ДНК человека. [11] Исследование было сосредоточено на вопросе о том, как белки репарации ДНК сканируют геном человека на предмет повреждений, вызванных УФ-излучением , на начальном этапе эксцизионной репарации нуклеотидов (NER). Подробные измерения отдельных молекул показали, как белок связывания ДНК, поврежденный УФ-излучением (UV-DDB), выполняет трехмерный поиск. Авторы обнаружили, что «UV-DDB исследует участки ДНК дискретными шагами перед образованием долгоживущих неподвижных димеров UV-DDB ( DDB1 - DDB2 ) 2 в местах повреждения. Анализ скоростей диссоциации для временных связывающих молекул как на неповрежденной, так и на поврежденной ДНК показывает множественные времена задержки более трех порядков величины... Считается, что эти промежуточные состояния представляют собой дискретные конформеры UV-DDB на траектории к стабильному обнаружению повреждений». Авторы делают вывод из своих подробных кинетических измерений, что UV-DDB распознает повреждения, используя механизм конформационной корректуры через несколько промежуточных соединений.

Другие схемы признания

Отношение к кинетической корректуре

В схеме кинетической корректуры [12] [13] временная задержка (эквивалентно необратимой промежуточной стадии) вводится во время образования правильных или неправильных комплексов. Эта временная задержка снижает скорость образования обоих комплексов, но повышает точность за пределами равновесного предела. Необратимость схемы требует источника энергии. Временная задержка в кинетической корректуре аналогична пространственной разнице в конформационной корректуре. Однако конформационная корректура может быть равновесной схемой, которая не потребляет энергию.

Ссылки

  1. ^ ab Savir Y, Tlusty T (май 2007 г.). Scalas E (ред.). "Конформационная корректура: влияние конформационных изменений на специфичность молекулярного распознавания". PLOS ONE . ​​2 (5): e468. Bibcode :2007PLoSO...2..468S. doi : 10.1371/journal.pone.0000468 . PMC  1868595 . PMID  17520027.
  2. ^ ab Savir Y, Tlusty T (2008). «Оптимальная конструкция молекулярного распознавателя: молекулярное распознавание как проблема байесовской обработки сигналов». IEEE J Sel Topics Signal Process . 2 (3): 390–399. arXiv : 1007.4527 . Bibcode : 2008ISTSP...2..390S. doi : 10.1109/JSTSP.2008.923859. S2CID  7210763.
  3. ^ abcd Savir Y, Tlusty T (ноябрь 2010 г.). «RecA-опосредованный поиск гомологии как почти оптимальная система обнаружения сигнала». Molecular Cell . 40 (3): 388–396. arXiv : 1011.4382 . doi :10.1016/j.molcel.2010.10.020. PMID  21070965. S2CID  1682936.
  4. ^ abc Rambo RP, Williams GJ, Tainer JA (ноябрь 2010 г.). «Достижение точности гомологичной рекомбинации, несмотря на чрезвычайную сложность: обоснованные решения с помощью молекулярного профилирования». Molecular Cell . 40 (3): 347–348. doi :10.1016/j.molcel.2010.10.032. PMC 3003302 . PMID  21070960. 
  5. ^ abc Savir Y, Tlusty T (апрель 2013 г.). «Рибосома как оптимальный декодер: урок молекулярного распознавания». Cell . 153 (2): 471–479. Bibcode :2013APS..MARY46006T. doi : 10.1016/j.cell.2013.03.032 . PMID  23582332.
  6. ^ Алон У (2008). "Journal Club". Nature . 453 (7196): 701. Bibcode : 2008Natur.453..701A. doi : 10.1038/453701e . S2CID  29639642.
  7. ^ abc McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (ноябрь 2022 г.). Echave J (ред.). "Общая теория специфического связывания: выводы из генетико-механо-химической модели белка". Молекулярная биология и эволюция . 39 (11): msac217. doi :10.1093/molbev/msac217. PMC 9641994. PMID  36208205 . 
  8. ^ Koshland DE (февраль 1958). «Применение теории специфичности ферментов к синтезу белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 44 (2): 98–104. Bibcode : 1958PNAS... 44 ...98K. doi : 10.1073/pnas.44.2.98 . PMC 335371. PMID  16590179. 
  9. ^ Chen Z, Yang H, Pavletich NP (май 2008). «Механизм гомологичной рекомбинации из структур RecA-ssDNA/dsDNA». Nature . 453 (7194): 489–484. Bibcode :2008Natur.453..489C. doi :10.1038/nature06971. PMID  18497818. S2CID  4416531.
  10. ^ Де Вламинк И., ван Лоенхаут М.Т., Цвайфель Л., ден Бланкен Дж., Хунинг К., Хаге С. и др. (июнь 2012 г.). «Механизм распознавания гомологии при рекомбинации ДНК в экспериментах с двумя молекулами». Молекулярная клетка . 46 (5): 616–624. doi : 10.1016/j.molcel.2012.03.029 . ПМИД  22560720.
  11. ^ Ghodke H, Wang H, Hsieh CL, Woldemeskel S, Watkins SC, Rapić-Otrin V, Van Houten B (май 2014 г.). «Анализ одиночных молекул показывает, что человеческий поврежденный УФ-излучением ДНК-связывающий белок (UV-DDB) димеризуется на ДНК через множественные кинетические промежуточные продукты». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (18): E1862–E1871. Bibcode : 2014PNAS..111E1862G. doi : 10.1073/pnas.1323856111 . PMC 4020048. PMID  24760829 . 
  12. ^ Хопфилд Дж. Дж. (октябрь 1974 г.). «Кинетическая корректура: новый механизм снижения ошибок в биосинтетических процессах, требующих высокой специфичности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (10): 4135–4139. Bibcode : 1974PNAS...71.4135H. doi : 10.1073 /pnas.71.10.4135 . PMC 434344. PMID  4530290. 
  13. ^ Ninio J (1975). «Кинетическая амплификация дискриминации ферментов». Biochimie . 57 (5): 587–595. doi :10.1016/S0300-9084(75)80139-8. PMID  1182215.

Внешние ссылки