Сдвиг рамки рибосомы , также известный как сдвиг рамки трансляции или трансляционное перекодирование , представляет собой биологическое явление, возникающее во время трансляции и приводящее к образованию множества уникальных белков из одной мРНК . [1] Этот процесс может быть запрограммирован нуклеотидной последовательностью мРНК, а иногда на него влияет вторичная трехмерная структура мРНК . [2] Он описан главным образом у вирусов (особенно ретровирусов ), ретротранспозонов и бактериальных инсерционных элементов, а также в некоторых клеточных генах . [3]
Также было обнаружено, что небольшие молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют сдвиг рамки считывания. В декабре 2023 года сообщалось, что транскрибируемые in vitro (IVT) мРНК в ответ на вакцину BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) против COVID-19 вызывают сдвиг рамки рибосомы. [4]
Белки транслируются путем считывания тринуклеотидов на цепи мРНК, также известных как кодоны , от одного конца мРНК к другому (от 5'-конца к 3'-концу ), начиная с аминокислоты метионина в качестве начала (инициации). кодон AUG. Каждый кодон транслируется в одну аминокислоту . Сам код считается вырожденным , то есть определенная аминокислота может обозначаться более чем одним кодоном. Однако сдвиг любого количества нуклеотидов, не кратного 3, в рамке считывания приведет к тому, что последующие кодоны будут читаться по-другому. [5] Это эффективно меняет рамку считывания рибосом .
В этом примере следующее предложение, состоящее из трехбуквенных слов, имеет смысл, если читать его с начала:
|Начать| КОШКА И ЧЕЛОВЕК ТОЛСТЫЕ...|Начало|123 123 123 123 123 123 123 ...
Однако, если рамка считывания смещается на одну букву между T и H первого слова (фактически сдвиг кадра на +1, если считать, что позиция 0 является начальной позицией T ),
T |Start|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...-|Начать|123 123 123 123 123 123 12...
тогда предложение читается по-другому и теряет смысл.
В этом примере следующая последовательность представляет собой область митохондриального генома человека с двумя перекрывающимися генами MT-ATP8 и MT-ATP6 . При чтении с самого начала эти кодоны имеют смысл для рибосомы и могут транслироваться в аминокислоты (АА) под митохондриальным кодом позвоночных :
|Начать| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...|Начало|123 123 123 123 123 123 123 ...| АА | НЕНЛФАС...
Однако давайте изменим рамку считывания, начав на один нуклеотид ниже (фактически «сдвиг рамки на +1», если считать, что позиция 0 является начальной позицией A ):
A |Start|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...-|Начать|123 123 123 123 123 123 12... | АА | ТКИКСЛ...
Из-за этого сдвига рамки +1 последовательность ДНК читается по-другому. Таким образом, разные рамки считывания кодонов дают разные аминокислоты.
В случае транслирующей рибосомы сдвиг рамки считывания может привести либо к бессмысленной мутации , преждевременному появлению стоп-кодона после сдвига рамки считывания, либо к созданию совершенно нового белка после сдвига рамки считывания. В случае, когда сдвиг рамки приводит к нонсенсу, путь нонсенс-опосредованного распада мРНК (NMD) может разрушить транскрипт мРНК, поэтому сдвиг рамки может служить методом регулирования уровня экспрессии соответствующего гена. [6]
Если вырабатывается новый или нецелевой белок, это может вызвать другие неизвестные последствия. [4]
У вирусов это явление может быть запрограммировано на возникновение в определенных сайтах и позволяет вирусу кодировать несколько типов белков одной и той же мРНК. Яркие примеры включают ВИЧ-1 (вирус иммунодефицита человека), [7] RSV ( вирус саркомы Рауса ) [8] и вирус гриппа (грипп) [9] , которые все полагаются на сдвиг кадра для создания правильного соотношения 0-кадра ( нормальная трансляция) и «трансфреймовые» белки (кодируемые последовательностью со сдвигом рамки считывания). Его использование в вирусах в первую очередь предназначено для уплотнения большего количества генетической информации в более короткое количество генетического материала.
У эукариот он, по-видимому, играет роль в регуляции уровня экспрессии генов, вызывая преждевременную остановку и производя нефункциональные транскрипты. [3] [10]
Наиболее распространенным типом сдвига кадра является -1 сдвиг кадра или запрограммированный -1 рибосомальный сдвиг кадра (-1 PRF) . Другие, более редкие типы сдвига кадра включают сдвиг кадра +1 и -2. [2] Считается, что сдвиг кадров -1 и +1 управляется разными механизмами, которые обсуждаются ниже. Оба механизма имеют кинетический привод .
При сдвиге рамки -1 рибосома отодвигает один нуклеотид назад и продолжает трансляцию в кадре -1. Обычно существует три элемента, которые содержат сигнал сдвига рамки -1: скользящая последовательность , спейсерная область и вторичная структура РНК. Скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX — это любые три идентичных нуклеотида (хотя встречаются и некоторые исключения), YYY обычно представляет собой UUU или AAA, а H — это A, C или U. Поскольку структура этого мотива содержит 2 соседних 3-нуклеотида Повторы полагают, что сдвиг рамки -1 описывается моделью тандемного проскальзывания, в которой антикодон тРНК рибосомального P-сайта повторно спаривается с XXY на XXX, а антикодон A-сайта повторно спаривается с YYH на YYY одновременно. Эти новые пары идентичны парам 0-кадров, за исключением их третьих позиций. Это различие незначительно ухудшает связывание антикодонов, поскольку третий нуклеотид в кодоне, известный как положение качания , имеет более слабую специфичность связывания антикодона тРНК, чем первый и второй нуклеотиды. [2] [11] В этой модели структура мотива объясняется тем фактом, что первая и вторая позиции антикодонов должны иметь возможность идеально спариваться как в 0, так и в -1 кадрах. Следовательно, нуклеотиды 2 и 1 должны быть идентичными, а нуклеотиды 3 и 2 также должны быть идентичными, что приводит к необходимой последовательности из 3 идентичных нуклеотидов для каждой проскальзывающей тРНК. [12]
Скользкая последовательность для сигнала сдвига рамки +1 не имеет того же мотива и вместо этого, по-видимому, действует, приостанавливая рибосому на последовательности, кодирующей редкую аминокислоту. [13] Рибосомы не транслируют белки с постоянной скоростью, независимо от последовательности. Трансляция некоторых кодонов занимает больше времени, поскольку в цитозоле неравное количество тРНК этого конкретного кодона . [14] Из-за этого отставания в небольших участках существуют последовательности кодонов, которые контролируют скорость сдвига рамки рибосомы. В частности, рибосома должна сделать паузу, чтобы дождаться прибытия редкой тРНК, и это увеличивает кинетическую благоприятность рибосомы и связанной с ней тРНК, проскользнувшей в новую рамку. [13] [15] В этой модели изменение рамки считывания вызвано одним проскальзыванием тРНК, а не двумя.
Сдвиг рамки рибосомы может контролироваться механизмами, обнаруженными в последовательности мРНК (цис-действующими). Обычно это относится к скользкой последовательности, вторичной структуре РНК или к тому и другому. Сигнал сдвига рамки -1 состоит из обоих элементов, разделенных спейсерной областью, обычно длиной 5–9 нуклеотидов. [2] Сдвиг рамки считывания также может быть вызван другими молекулами, которые взаимодействуют с рибосомой или мРНК (транс-действуя).
Скользкие последовательности потенциально могут заставить считывающую рибосому «скользить» и пропускать определенное количество нуклеотидов (обычно только 1) и после этого читать совершенно другой кадр. При запрограммированном сдвиге рамки рибосомы -1 скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX — любые три идентичных нуклеотида (хотя встречаются и некоторые исключения), YYY обычно представляет собой UUU или AAA, а H представляет собой A, C или U. В случае + 1, скользкая последовательность содержит кодоны, для которых соответствующая тРНК встречается более редко, а сдвиг рамки является предпочтительным, поскольку кодон в новой рамке имеет более общую ассоциированную тРНК. [13] Одним из примеров скользкой последовательности является полиА на мРНК, которая, как известно, вызывает проскальзывание рибосомы даже в отсутствие каких-либо других элементов. [16]
Эффективный сдвиг рамки рибосом обычно требует наличия вторичной структуры РНК для усиления эффекта скользкой последовательности. [12] Считается , что структура РНК (которая может представлять собой «стебель-петлю» или псевдоузел ) приостанавливает рибосому на скользком участке во время трансляции, заставляя ее перемещаться и продолжать репликацию с позиции -1. Считается, что это происходит потому, что структура физически блокирует движение рибосомы, застревая в туннеле мРНК рибосомы. [2] Эта модель подтверждается тем фактом, что сила псевдоузла положительно коррелирует с уровнем сдвига рамки считывания ассоциированной мРНК. [3] [17]
Ниже приведены примеры предсказанных вторичных структур для элементов сдвига рамки считывания, которые, как показано, стимулируют сдвиг рамки считывания у различных организмов. Большинство показанных структур представляют собой стебель-петли, за исключением структуры псевдоузла ALIL (апикальная петля-внутренняя петля). На этих изображениях большие и неполные кружки мРНК представляют собой линейные области. Вторичные структуры «стебель-петля», где «стебли» образованы участком спаривания оснований мРНК с другим участком на той же цепи, показаны выступающими из линейной ДНК. Линейная область сигнала сдвига рамки рибосомы ВИЧ содержит высококонсервативную скользкую последовательность UUU UUU A; многие другие предсказанные структуры также содержат кандидатов на роль скользких последовательностей.
Последовательности мРНК на изображениях можно прочитать в соответствии с рядом правил. Хотя A, T, C и G обозначают конкретный нуклеотид в определенной позиции, существуют также буквы, обозначающие неоднозначность, которые используются, когда в этой позиции может находиться более одного типа нуклеотидов. Правила Международного союза теоретической и прикладной химии ( IUPAC ) заключаются в следующем: [18]
Эти символы также действительны для РНК, за исключением того, что U (урацил) заменяет Т (тимин). [18]
Было обнаружено, что небольшие молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют сдвиг рамки считывания. Например, механизм отрицательной обратной связи в пути синтеза полиаминов основан на том, что уровни полиаминов стимулируют увеличение сдвига рамки +1, что приводит к выработке ингибирующего фермента . Было также показано, что некоторые белки, которые необходимы для распознавания кодонов или которые непосредственно связываются с последовательностью мРНК, модулируют уровни сдвига рамки считывания. Молекулы микроРНК (миРНК) могут гибридизоваться со вторичной структурой РНК и влиять на ее прочность. [6]