stringtranslate.com

Сдвиг рамки считывания рибосом

Сдвиг рибосомной рамки считывания , также известный как сдвиг трансляционной рамки считывания или трансляционное перекодирование , представляет собой биологическое явление, которое происходит во время трансляции и приводит к образованию множества уникальных белков из одной мРНК . [1] Процесс может быть запрограммирован нуклеотидной последовательностью мРНК и иногда на него влияет вторичная трехмерная структура мРНК . [2] Он был описан в основном у вирусов (особенно ретровирусов ), ретротранспозонов и бактериальных вставочных элементов, а также у некоторых клеточных генов . [3]

Было также обнаружено, что малые молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют уровни сдвига рамки считывания. В декабре 2023 года было сообщено, что in vitro -транскрибированные (IVT) мРНК в ответ на вакцину BNT162b2 (Pfizer–BioNTech) против COVID-19 вызвали рибосомальный сдвиг рамки считывания. [4]

Обзор процесса

Белки транслируются путем считывания тринуклеотидов на цепи мРНК, также известных как кодоны , с одного конца мРНК на другой (с 5' на 3' конец ), начиная с аминокислоты метионина в качестве стартового (инициирующего) кодона AUG. Каждый кодон транслируется в одну аминокислоту . Сам код считается вырожденным , что означает, что конкретная аминокислота может быть определена более чем одним кодоном. Однако сдвиг любого количества нуклеотидов, которое не делится на 3 в рамке считывания, приведет к тому, что последующие кодоны будут считываться по-разному. [5] Это эффективно изменяет рибосомную рамку считывания .

Пример предложения

В этом примере следующее предложение из трехбуквенных слов имеет смысл, если прочитать его с самого начала:

|Начало| КОТ И МУЖЧИНА ТОЛСТЫЕ...|Начало|123 123 123 123 123 123 123 ...

Однако если рамка считывания сдвинута на одну букву между буквами T и H первого слова (фактически это сдвиг рамки на +1, если считать позицию 0 начальной позицией T ),

T |Начало|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...-|Начало|123 123 123 123 123 123 12...

тогда предложение читается по-другому, не имея смысла.

пример ДНК

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 быть переведены в аминокислоты (AA) в соответствии с митохондриальным кодом позвоночных :

|Начало| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...|Начало|123 123 123 123 123 123 123 ...| АА | НЕЛФАС ...

Однако давайте изменим рамку считывания, начав на один нуклеотид ниже (фактически «сдвиг рамки +1», если считать позицию 0 начальной позицией A ):

A |Начало|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...-|Начало|123 123 123 123 123 123 12... | АА | TKICSL ...

Из-за этого сдвига рамки +1 последовательность ДНК читается по-разному. Поэтому другая рамка считывания кодона дает разные аминокислоты.

Эффект

В случае транслирующей рибосомы сдвиг рамки может привести либо к бессмысленной мутации , преждевременному стоп-кодону после сдвига рамки, либо к созданию совершенно нового белка после сдвига рамки. В случае, когда сдвиг рамки приводит к бессмысленности, путь распада мРНК, опосредованный бессмысленностью (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]

Функция у вирусов и эукариот

В вирусах это явление может быть запрограммировано на возникновение в определенных местах и ​​позволяет вирусу кодировать несколько типов белков из одной и той же мРНК. Известные примеры включают ВИЧ-1 (вирус иммунодефицита человека), [7] RSV ( вирус саркомы Рауса ) [8] и вирус гриппа (грипп), [9] которые все полагаются на сдвиг рамки для создания надлежащего соотношения белков 0-рамки (нормальная трансляция) и «транс-рамки» (кодируемых последовательностью со сдвигом рамки). Его использование в вирусах в первую очередь заключается в уплотнении большего количества генетической информации в более короткое количество генетического материала.

У эукариот он, по-видимому, играет роль в регуляции уровней экспрессии генов, генерируя преждевременные остановки и производя нефункциональные транскрипты. [3] [10]

Типы сдвига кадров

Наиболее распространенным типом сдвига рамки является сдвиг рамки считывания −1 или запрограммированный сдвиг рамки считывания −1 рибосом (−1 PRF) . Другие, более редкие типы сдвига рамки включают сдвиг рамки считывания +1 и −2. [2] Считается, что сдвиг рамки считывания −1 и +1 контролируется различными механизмами, которые обсуждаются ниже. Оба механизма управляются кинетическими механизмами .

Запрограммированный −1 рибосомный сдвиг рамки считывания

Тандемное проскальзывание 2 тРНК в скользкой последовательности вируса саркомы Рауса. После сдвига рамки считывания новые пары оснований верны в первом и втором нуклеотидах, но неверны в позиции колебания. Указаны сайты E , P и A рибосомы. Расположение растущей полипептидной цепи не указано на изображении, поскольку пока нет единого мнения о том, происходит ли проскальзывание −1 до или после переноса полипептида из тРНК P-сайта в тРНК A-сайта (в данном случае из тРНК Asn в тРНК Leu). [8]

При сдвиге рамки считывания −1 рибосома проскальзывает на один нуклеотид назад и продолжает трансляцию в рамке −1. Обычно есть три элемента, которые составляют сигнал сдвига рамки считывания −1: скользкая последовательность , спейсерная область и вторичная структура РНК. Скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX — любые три идентичных нуклеотида (хотя бывают и исключения), YYY обычно представляет собой UUU или AAA, а H — это A, C или U. Поскольку структура этого мотива содержит 2 смежных 3-нуклеотидных повтора, считается, что сдвиг рамки считывания −1 описывается моделью тандемного проскальзывания, в которой антикодон тРНК рибосомного 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-рамки, за исключением их третьих позиций. Это различие не оказывает существенного отрицательного влияния на связывание антикодона, поскольку третий нуклеотид в кодоне, известный как положение колебания , 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 быть способны идеально спариваться как в 0-, так и в −1-рамках. Следовательно, нуклеотиды 2 и 1 должны быть идентичны, а нуклеотиды 3 и 2 также должны быть идентичны, что приводит к требуемой последовательности из 3 идентичных нуклеотидов для каждой проскальзывающей тРНК. [12]

+1 рибосомный сдвиг рамки считывания

Сдвиг рамки +1 происходит, когда рибосома и тРНК P-сайта останавливаются, ожидая прибытия редкой аргининовой тРНК. Кодон A-сайта в новой рамке спаривается с антикодоном более распространенной глициновой тРНК, и трансляция продолжается. [13]

Скользкая последовательность для сигнала сдвига рамки +1 не имеет того же мотива, и вместо этого, по-видимому, функционирует, останавливая рибосому на последовательности, кодирующей редкую аминокислоту. [13] Рибосомы не транслируют белки с постоянной скоростью, независимо от последовательности. Определенные кодоны транслируются дольше, поскольку в цитозоле не равное количество тРНК этого конкретного кодона . [14] Из-за этой задержки существуют небольшие участки последовательностей кодонов, которые контролируют скорость сдвига рамки рибосомы. В частности, рибосома должна останавливаться, чтобы дождаться прибытия редкой тРНК, и это увеличивает кинетическую благоприятность рибосомы и связанной с ней тРНК, проскальзывающей в новую рамку. [13] [15] В этой модели изменение рамки считывания вызвано одним смещением тРНК, а не двумя.

Механизмы управления

Сдвиг рамки рибосомы может контролироваться механизмами, обнаруженными в последовательности мРНК (цис-действие). Обычно это относится к скользкой последовательности, вторичной структуре РНК или к обоим. Сигнал сдвига рамки −1 состоит из обоих элементов, разделенных спейсерной областью, как правило, длиной 5–9 нуклеотидов. [2] Сдвиг рамки может также быть вызван другими молекулами, которые взаимодействуют с рибосомой или мРНК (транс-действие).

Элементы сигнала сдвига кадра

Это графическое представление сигнала сдвига рамки ВИЧ1. Сдвиг рамки на −1 в области скользкой последовательности приводит к трансляции pol вместо области кодирования белка gag или открытой рамки считывания (ORF). Оба белка gag и pol необходимы для обратной транскриптазы, которая необходима для репликации ВИЧ1. [7]

Скользкая последовательность

Скользкие последовательности потенциально могут заставить считывающую рибосому «соскользнуть» и пропустить несколько нуклеотидов (обычно только 1) и после этого прочитать совершенно другой кадр. В запрограммированном рибосомном сдвиге рамки считывания −1 скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX — это любые три одинаковых нуклеотида (хотя бывают и исключения), YYY обычно представляет собой UUU или AAA, а H — это A, C или U. В случае сдвига рамки считывания +1 скользкая последовательность содержит кодоны, для которых соответствующая тРНК встречается реже, и сдвиг рамки предпочтителен, поскольку кодон в новом кадре имеет более распространенную связанную тРНК. [13] Одним из примеров скользкой последовательности является полиА на мРНК, которая, как известно, вызывает проскальзывание рибосомы даже при отсутствии каких-либо других элементов. [16]

Вторичная структура РНК

Эффективный рибосомный сдвиг рамки обычно требует наличия вторичной структуры РНК для усиления эффектов скользкой последовательности. [12] Считается, что структура РНК (которая может быть стебель-петлей или псевдоузлом ) останавливает рибосому на скользком участке во время трансляции, заставляя ее переместиться и продолжить репликацию из положения −1. Считается, что это происходит потому, что структура физически блокирует движение рибосомы, застревая в туннеле мРНК рибосомы. [2] Эта модель подтверждается тем фактом, что прочность псевдоузла положительно коррелирует с уровнем сдвига рамки для связанной мРНК. [3] [17]

Ниже приведены примеры предсказанных вторичных структур для элементов сдвига рамки, которые, как было показано, стимулируют сдвиг рамки у различных организмов. Большинство показанных структур являются стебель-петлями, за исключением псевдоузловой структуры ALIL (апикальная петля-внутренняя петля). На этих изображениях большие и неполные круги мРНК представляют линейные области. Вторичные структуры «стебель-петля», где «стебли» образованы областью спаривания оснований мРНК с другой областью на той же цепи, показаны выступающими из линейной ДНК. Линейная область сигнала сдвига рамки рибосом ВИЧ содержит высококонсервативную скользкую последовательность UUU UUU A; многие другие предсказанные структуры также содержат кандидатов на скользкие последовательности.

Последовательности мРНК на изображениях можно прочитать в соответствии с набором правил. В то время как A, T, C и G представляют собой определенный нуклеотид в позиции, есть также буквы, которые представляют неоднозначность, которые используются, когда в этой позиции может находиться более одного вида нуклеотида. Правила Международного союза теоретической и прикладной химии ( IUPAC ) следующие: [18]

Эти символы также действительны для РНК, за исключением того, что U (урацил) заменяет T (тимин). [18]

Трансактные элементы

Было обнаружено, что малые молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют уровни сдвига рамки. Например, механизм отрицательной обратной связи в пути синтеза полиаминов основан на уровнях полиаминов, стимулирующих увеличение +1 сдвига рамки, что приводит к образованию ингибирующего фермента . Было также показано, что некоторые белки, необходимые для распознавания кодонов или которые напрямую связываются с последовательностью мРНК, модулируют уровни сдвига рамки. Молекулы микроРНК (miRNA) могут гибридизироваться с вторичной структурой РНК и влиять на ее прочность. [6]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Atkins JF, Loughran G, Bhatt PR, Firth AE, Baranov PV (сентябрь 2016 г.). «Сдвиг рибосомной рамки считывания и транскрипционное проскальзывание: от генетической стеганографии и криптографии до случайного использования». Nucleic Acids Research . 44 (15): 7007–7078. doi :10.1093/nar/gkw530. PMC  5009743. PMID  27436286 .
  2. ^ abcde Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE (июнь 2017 г.). "Управляемый белками сдвиг рибосомной рамки считывания временно регулирует экспрессию генов". Nature Communications . 8 : 15582. Bibcode :2017NatCo...815582N. doi :10.1038/ncomms15582. PMC 5472766 . PMID  28593994. 
  3. ^ abc Ketteler R (2012). "О программируемом рибосомальном сдвиге рамки считывания: альтернативные протеомы". Frontiers in Genetics . 3 : 242. doi : 10.3389/fgene.2012.00242 . PMC 3500957. PMID  23181069 . 
  4. ^ ab Mulroney, Thomas E.; Pöyry, Tuija; Yam-Puc, Juan Carlos; Rust, Maria; Harvey, Robert F.; Kalmar, Lajos; Horner, Emily; Booth, Lucy; Ferreira, Alexander P.; Stoneley, Mark; Sawarkar, Ritwick; Mentzer, Alexander J.; Lilley, Kathryn S.; Smales, C. Mark; von der Haar, Tobias (6 декабря 2023 г.). "N1-метилпсевдоуридилирование мРНК вызывает сдвиг рамки считывания на +1 рибосоме". Nature . 625 (7993): 189–194. doi : 10.1038/s41586-023-06800-3 . ISSN  1476-4687. PMC 10764286 . PMID  38057663. 
  5. ^ Иванов ИП, Аткинс Дж. Ф. (2007). «Сдвиг рибосомной рамки считывания при декодировании антизимных мРНК от дрожжей и простейших до человека: около 300 случаев демонстрируют замечательное разнообразие, несмотря на лежащую в основе консервацию». Nucleic Acids Research . 35 (6): 1842–1858. doi :10.1093/nar/gkm035. PMC 1874602. PMID  17332016 . 
  6. ^ ab Dever TE, Dinman JD, Green R (август 2018 г.). «Удлинение трансляции и перекодирование у эукариот». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 10 (8): a032649. doi :10.1101/cshperspect.a032649. PMC 6071482. PMID 29610120  . 
  7. ^ ab Jacks T, Power MD, Masiarz FR, Luciw PA, Barr PJ, Varmus HE (январь 1988). "Характеристика сдвига рибосомной рамки считывания при экспрессии gag-pol ВИЧ-1". Nature . 331 (6153): 280–283. Bibcode :1988Natur.331..280J. doi :10.1038/331280a0. PMID  2447506. S2CID  4242582.
  8. ^ ab Jacks T, Madhani HD, Masiarz FR, Varmus HE (ноябрь 1988 г.). «Сигналы для сдвига рамки считывания рибосом в области gag-pol вируса саркомы Рауса». Cell . 55 (3): 447–458. doi :10.1016/0092-8674(88)90031-1. PMC 7133365 . PMID  2846182. 
  9. ^ Jagger BW, Wise HM, Kash JC, Walters KA, Wills NM, Xiao YL, Dunfee RL, Schwartzman LM, Ozinsky A, Bell GL, Dalton RM, Lo A, Efstathiou S, Atkins JF, Firth AE, Taubenberger JK, Digard P (июль 2012 г.). «Перекрывающаяся область кодирования белка в сегменте 3 вируса гриппа А модулирует реакцию хозяина». Science . 337 (6091): 199–204. Bibcode :2012Sci...337..199J. doi :10.1126/science.1222213. PMC 3552242 . PMID  22745253. 
  10. ^ Advani VM, Dinman JD (январь 2016 г.). «Перепрограммирование генетического кода: новая роль рибосомального сдвига рамки в регуляции экспрессии клеточных генов». BioEssays . 38 (1): 21–26. doi :10.1002/bies.201500131. PMC 4749135 . PMID  26661048. 
  11. ^ Крик ФХ (август 1966). «Сопряжение кодона и антикодона: гипотеза колебания». Журнал молекулярной биологии . 19 (2): 548–555. doi :10.1016/S0022-2836(66)80022-0. PMID  5969078.
  12. ^ ab Brierley I (август 1995 г.). «Рибосомальные вирусные РНК со сдвигом рамки считывания». Журнал общей вирусологии . 76 (ч. 8) (8): 1885–1892. doi : 10.1099/0022-1317-76-8-1885 . PMID  7636469.
  13. ^ abcd Harger JW, Meskauskas A, Dinman JD (сентябрь 2002 г.). «Интегрированная модель» запрограммированного сдвига рамки считывания рибосом». Trends in Biochemical Sciences . 27 (9): 448–454. doi :10.1016/S0968-0004(02)02149-7. PMID  12217519.
  14. ^ Гурвич OL, Баранов PV, Гестеланд RF, Аткинс JF (июнь 2005). "Уровни экспрессии влияют на сдвиг рибосомной рамки считывания в тандемных редких кодонах аргинина AGG_AGG и AGA_AGA в Escherichia coli". Журнал бактериологии . 187 (12): 4023–4032. doi :10.1128/JB.187.12.4023-4032.2005. PMC 1151738. PMID  15937165 . 
  15. ^ Caliskan N, Katunin VI, Belardinelli R, Peske F, Rodnina MV (июнь 2014). "Запрограммированный сдвиг рамки считывания на −1 путем кинетического разделения во время затрудненной транслокации". Cell . 157 (7): 1619–1631. doi : 10.1016/j.cell.2014.04.041 . PMC 7112342 . PMID  24949973. 
  16. ^ Артур Л., Павлович-Джуранович С., Смит-Коутмоу К., Грин Р., Щесны П., Джуранович С. (июль 2015 г.). "Трансляционный контроль с помощью кодирующих лизин А-богатых последовательностей". Science Advances . 1 (6): e1500154. Bibcode :2015SciA....1E0154A. doi :10.1126/sciadv.1500154. PMC 4552401 . PMID  26322332. 
  17. ^ Hansen TM, Reihani SN, Oddershede LB, Sørensen MA (апрель 2007 г.). «Корреляция между механической прочностью псевдоузлов информационной РНК и сдвигом рамки считывания рибосом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (14): 5830–5835. Bibcode : 2007PNAS..104.5830H. doi : 10.1073 /pnas.0608668104 . PMC 1838403. PMID  17389398. 
  18. ^ abc Номенклатурный комитет Международного союза биохимии (NC-IUB) (1984). "Номенклатура для не полностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот" . Получено 4 февраля 2008 г.
  19. ^ Mazauric MH, Licznar P, Prère MF, Canal I, Fayet O (июль 2008 г.). «Псевдоузлы РНК апикальной петли-внутренней петли: новый тип стимулятора сдвига рамки трансляции −1 у бактерий». Журнал биологической химии . 283 (29): 20421–20432. doi : 10.1074/jbc.M802829200 . PMID  18474594.
  20. ^ Иванов IP, Андерсон CB, Гестеланд RF, Аткинс JF (июнь 2004). «Идентификация нового антизимного мРНК +1 стимулирующего псевдоузла со сдвигом рамки считывания в подмножестве разнообразных беспозвоночных и его очевидное отсутствие у промежуточных видов». Журнал молекулярной биологии . 339 (3): 495–504. doi :10.1016/j.jmb.2004.03.082. PMC 7125782. PMID  15147837 . 
  21. ^ Баранов П.В., Хендерсон CM, Андерсон CB, Гестеланд RF, Аткинс JF, Ховард MT (февраль 2005 г.). «Запрограммированный рибосомный сдвиг рамки считывания при расшифровке генома SARS-CoV». Вирусология . 332 (2): 498–510. doi : 10.1016/j.virol.2004.11.038 . PMC 7111862. PMID  15680415 . 
  22. ^ Larsen B, Gesteland RF, Atkins JF (август 1997 г.). «Структурное зондирование и мутагенный анализ стебель-петли, необходимые для сдвига рамки считывания рибосом Escherichia coli dnaX: запрограммированная эффективность 50%». Журнал молекулярной биологии . 271 (1): 47–60. doi :10.1006/jmbi.1997.1162. PMC 7126992. PMID  9300054 . 

Внешние ссылки