stringtranslate.com

Бактериальный перевод

Бактериальная трансляция — это процесс, посредством которого информационная РНК транслируется в белки у бактерий .

Инициация

Инициация трансляции у бактерий включает сборку компонентов системы трансляции, а именно: две рибосомные субъединицы ( субъединицы 50S и 30S ); зрелая мРНК, которая должна быть транслирована; тРНК, заряженная N- формилметионином (первая аминокислота в зарождающемся пептиде); гуанозинтрифосфат (ГТФ) в качестве источника энергии и три прокариотических фактора инициации IF1 , IF2 и IF3 , которые помогают сборке комплекса инициации. Можно ожидать изменений в механизме. [1]

Рибосома имеет три активных участка: участок А, участок Р и участок Е. Участок А является точкой входа для аминоацильной тРНК (за исключением первой аминоацильной тРНК, которая входит в участок Р). Участок Р является местом, где в рибосоме образуется пептидильная тРНК. А участок Е является местом выхода теперь незаряженной тРНК после того, как она отдает свою аминокислоту растущей пептидной цепи. [1]

Каноническое посвящение: последовательность Шайна-Дальгарно

Большинство мРНК в E. coli начинаются с последовательности Шайна-Дальгарно (SD) . Последовательность SD распознается комплементарной областью «анти-SD» на компоненте 16S рРНК субъединицы 30S. В канонической модели рибосома 30S сначала соединяется с тремя факторами инициации, образуя нестабильный «комплекс предварительной инициации». Затем мРНК соединяется с этой областью анти-SD, в результате чего образуется двухцепочечная структура РНК, приблизительно позиционируя стартовый кодон на сайте P. Инициирующая тРНК fMet прибывает и позиционируется с помощью IF2, начиная трансляцию. [1]

Даже в канонической модели есть много неопределенностей. Было показано, что сайт инициации не строго ограничен AUG. Хорошо известные кодирующие регионы, которые не имеют кодонов инициации AUG, — это lacI (GUG) [2] и lacA (UUG) в опероне lac E. coli . [3] Два исследования независимо показали, что 17 или более стартовых кодонов, не являющихся AUG, могут инициировать трансляцию в E. coli . [4] [5] Тем не менее, AUG, по-видимому, по крайней мере, является самым сильным кодоном инициации среди всех возможных. [1]

Последовательность SD также не кажется строго необходимой, поскольку широкий спектр мРНК не имеет их и все равно транслируется, при этом целый тип бактерий ( Bacteroidetes ) не использует такую ​​последовательность. Просто SD с последующим AUG также недостаточно для инициирования трансляции. По крайней мере, она функционирует как очень важный инициирующий сигнал в E. coli . [1]

Модель сканирования 70S

При трансляции полицистронной мРНК рибосома 70S заканчивает трансляцию на стоп-кодоне . Теперь показано, что вместо немедленного разделения на две половины рибосома может «сканировать» вперед, пока не встретит другую последовательность Шайна-Дальгарно и инициирующий кодон ниже по течению, инициируя другую трансляцию с помощью IF2 и IF3. [6] Этот режим считается важным для трансляции генов, которые сгруппированы в полицистронных оперонах, где канонический режим связывания может быть разрушительным из-за небольших расстояний между соседними генами на одной и той же молекуле мРНК. [7]

Инициация без лидера

Ряд бактериальных мРНК вообще не имеют 5'UTR или имеют очень короткую. Полная рибосома 70S с помощью IF2 (рекрутинг fMet-tRNA) [8] может просто начать трансляцию такой "лидерной" мРНК. [1]

Ряд факторов изменяют эффективность безлидерной инициации. 5'-фосфатная группа, присоединенная к стартовому кодону, кажется почти необходимой. [1] AUG является сильно предпочтительным в E. coli , но не обязательно в других видах. IF3 ингибирует безлидерную инициацию. [1] Более длинная 5'UTR или 5'UTR со значительной вторичной структурой также ингибирует безлидерную инициацию. [9]

Удлинение

Удлинение полипептидной цепи включает добавление аминокислот к карбоксильному концу растущей цепи. Растущий белок выходит из рибосомы через полипептидный выходной туннель в большой субъединице. [10]

Удлинение начинается, когда fMet-тРНК входит в сайт P, вызывая конформационное изменение , которое открывает сайт A для связывания новой аминоацил-тРНК. Это связывание облегчается фактором удлинения-Tu (EF-Tu), небольшой ГТФазой . Для быстрого и точного распознавания соответствующей тРНК рибосома использует большие конформационные изменения ( конформационное считывание ). [11] Теперь сайт P содержит начало пептидной цепи белка, который должен быть закодирован, а сайт A содержит следующую аминокислоту, которую нужно добавить к пептидной цепи. Растущий полипептид, связанный с тРНК в сайте P, отсоединяется от тРНК в сайте P, и между последними аминокислотами полипептида и аминокислотой, все еще прикрепленной к тРНК в сайте A, образуется пептидная связь . Этот процесс, известный как образование пептидной связи , катализируется рибозимом ( 23S рибосомальная РНК в 50S рибосомальной субъединице). [12] Теперь на сайте A находится новообразованный пептид, а на сайте P — незаряженная тРНК (тРНК без аминокислот). Новообразованный пептид на сайте A называется дипептидом , а вся сборка называется дипептидил-тРНК . Известно, что тРНК на сайте P без аминокислоты деацилирована . На заключительном этапе удлинения, называемом транслокацией , деацилированная тРНК (на сайте P) и дипептидил-тРНК (на сайте A) вместе с соответствующими кодонами перемещаются на сайты E и P соответственно, а новый кодон перемещается на сайт A. Этот процесс катализируется фактором удлинения G (EF-G). Деацилированная тРНК в сайте E высвобождается из рибосомы во время следующего занятия сайта A аминоацил-тРНК, снова с участием EF-Tu. [13]

Рибосома продолжает транслировать оставшиеся кодоны на мРНК по мере того, как все больше аминоацил-тРНК связывается с сайтом А, пока рибосома не достигнет стоп-кодона на мРНК (UAA, UGA или UAG).

Механизм трансляции работает относительно медленно по сравнению с ферментными системами, катализирующими репликацию ДНК. Белки в бактериях синтезируются со скоростью всего 18 аминокислотных остатков в секунду, тогда как бактериальные реплисомы синтезируют ДНК со скоростью 1000 нуклеотидов в секунду. Эта разница в скорости частично отражает разницу между полимеризацией четырех типов нуклеотидов для создания нуклеиновых кислот и полимеризацией 20 типов аминокислот для создания белков. Тестирование и отклонение неправильных молекул аминоацил-тРНК требует времени и замедляет синтез белка. У бактерий инициация трансляции происходит, как только синтезируется 5'-конец мРНК, а трансляция и транскрипция сопряжены. Это невозможно у эукариот, поскольку транскрипция и трансляция осуществляются в отдельных отсеках клетки (ядре и цитоплазме).

Прекращение

Терминация происходит, когда один из трех кодонов терминации перемещается в сайт A. Эти кодоны не распознаются никакими тРНК. Вместо этого они распознаются белками, называемыми факторами высвобождения , а именно RF1 (распознающий стоп-кодоны UAA и UAG) или RF2 (распознающий стоп-кодоны UAA и UGA). Эти факторы запускают гидролиз эфирной связи в пептидил-тРНК и высвобождение вновь синтезированного белка из рибосомы. Третий фактор высвобождения RF-3 катализирует высвобождение RF-1 и RF-2 в конце процесса терминации.

Переработка

Посттерминационный комплекс, сформированный к концу этапа терминации, состоит из мРНК с терминирующим кодоном на А-сайте, незаряженной тРНК на Р-сайте и неповрежденной 70S рибосомы. Этап рециклинга рибосомы отвечает за разборку посттерминационного рибосомального комплекса. [14] После того, как возникающий белок высвобождается при терминации, фактор рециклинга рибосомы и фактор элонгации G (EF-G) функционируют для высвобождения мРНК и тРНК из рибосом и диссоциации 70S рибосомы на субъединицы 30S и 50S. Затем IF3 заменяет деацилированную тРНК, высвобождая мРНК. Все трансляционные компоненты теперь свободны для дополнительных раундов трансляции.

В зависимости от тРНК IF1 – IF3 также могут осуществлять рециркуляцию. [15]

Полисомы

Перевод осуществляется более чем одной рибосомой одновременно. Из-за относительно большого размера рибосом они могут прикрепляться только к участкам мРНК, находящимся на расстоянии 35 нуклеотидов друг от друга. Комплекс одной мРНК и нескольких рибосом называется полисомой или полирибосомой. [16]

Регулирование перевода

Когда бактериальные клетки истощаются, они переходят в стационарную фазу и подавляют синтез белка. Несколько процессов опосредуют этот переход. [17] Например, в E. coli 70S рибосомы образуют 90S димеры при связывании с небольшим белком 6,5 кДа, фактором модуляции рибосом RMF. [18] [19] Эти промежуточные рибосомные димеры могут впоследствии связывать молекулу фактора содействия гибернации (белок 10,8 кДа, HPF) для формирования зрелой рибосомной частицы 100S, в которой интерфейс димеризации образован двумя субъединицами 30S двух участвующих рибосом. [20] Димеры рибосом представляют собой состояние гибернации и являются трансляционно неактивными. [21] Третий белок, который может связываться с рибосомами, когда клетки E. coli переходят в стационарную фазу, — это YfiA (ранее известный как RaiA). [22] HPF и YfiA структурно схожи, и оба белка могут связываться с каталитическими A- и P-сайтами рибосомы. [23] [24] RMF блокирует связывание рибосомы с мРНК, предотвращая взаимодействие мессенджера с 16S рРНК. [25] При связывании с рибосомами C-концевой хвост E. coli YfiA препятствует связыванию RMF, тем самым предотвращая димеризацию и приводя к образованию трансляционно неактивных мономерных 70S рибосом. [25] [26]

Механизм диссоциации рибосомной субъединицы с помощью RsfS (= RsfA). RsfS инактивирует трансляцию, когда клетки голодают («S») и, таким образом, испытывают нехватку аминокислот. [27]

Помимо димеризации рибосом, соединение двух рибосомных субъединиц может быть заблокировано RsfS (ранее называвшимся RsfA или YbeB). [27] RsfS связывается с L14, белком большой рибосомной субъединицы, и тем самым блокирует соединение малой субъединицы с образованием функциональной рибосомы 70S, замедляя или полностью блокируя трансляцию. Белки RsfS обнаружены почти во всех эубактериях (но не в археях ), а гомологи присутствуют в митохондриях и хлоропластах (где они называются C7orf30 и iojap соответственно). Однако пока неизвестно, как регулируется экспрессия или активность RsfS.

Другим фактором диссоциации рибосом в Escherichia coli является HflX , ранее ГТФаза неизвестной функции. Чжан и др. (2015) показали, что HflX является фактором расщепления рибосом, индуцированным тепловым шоком, способным диссоциировать как свободные, так и связанные с мРНК рибосомы. N-концевой эффекторный домен HflX связывается с центром пептидилтрансферазы поразительно похожим образом, как и у факторов высвобождения класса I, и вызывает резкие конформационные изменения в центральных межсубъединичных мостиках, тем самым способствуя диссоциации субъединиц. Соответственно, потеря HflX приводит к увеличению числа остановившихся рибосом при тепловом шоке и, возможно, других стрессовых условиях. [28]

Действие антибиотиков

Некоторые антибиотики оказывают свое действие, воздействуя на процесс трансляции в бактериях. Они используют различия между прокариотическими и эукариотическими механизмами трансляции, чтобы избирательно ингибировать синтез белка в бактериях, не влияя на хозяина.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Gualerzi, CO; Pon, CL (ноябрь 2015 г.). «Инициация трансляции мРНК у бактерий: структурные и динамические аспекты». Cellular and Molecular Life Sciences . 72 (22): 4341–67. doi :10.1007/s00018-015-2010-3. PMC  4611024 . PMID  26259514.
  2. ^ Farabaugh PJ (август 1978). "Последовательность гена lacI". Nature . 274 (5673): 765–9. Bibcode :1978Natur.274..765F. doi :10.1038/274765a0. PMID  355891. S2CID  4208767.
  3. ^ "E.coli lactose operon with lacI, lacZ, lacY and lacA genes". База данных нуклеотидов . Национальная медицинская библиотека. 5 мая 1993 г. Получено 1 марта 2017 г.
  4. ^ Hecht A, Glasgow J, Jaschke PR, Bawazer LA, Munson MS, Cochran JR, Endy D, Salit M (апрель 2017 г.). «Измерения инициации трансляции со всех 64 кодонов в E. coli». Nucleic Acids Research . 45 (7): 3615–3626. doi :10.1093/nar/gkx070. PMC 5397182. PMID  28334756 . 
  5. ^ Firnberg E, Labonte JW, Gray JJ, Ostermeier M (май 2016 г.). «Комплексная карта ландшафта приспособленности гена с высоким разрешением». Молекулярная биология и эволюция . 33 (5): 1581–1592. doi :10.1093/molbev/msu081. PMC 4839222. PMID  26912810 . 
  6. ^ Хироши Ямамото; Даниэла Виттек; Роми Гупта; Бо Цинь; Такуя Уэда; Роланд Краузе; Каори Ямамото; Ренате Альбрехт; Маркус Печ; Кнуд Х. Ниерхаус (февраль 2016 г.). «Инициация сканирования 70S — новый и частый способ инициации рибосомальной трансляции у бактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (9): E1180–E1189. Bibcode : 2016PNAS..113E1180Y. doi : 10.1073/pnas.1524554113 . PMC 4780633. PMID  26888283 . 
  7. ^ Йонатан Чемла; Майкл Пири; Матиас Луидор Хельтберг; Джерри Эйхлер; Могенс Хёг Йенсен; Тамир Туллер; Литал Альфонта (сентябрь 2020 г.). «Возможная универсальная роль вторичной структуры мРНК в бактериальной трансляции, выявленная с помощью синтетического оперона». Nature Communications . 11 (1): 4827. Bibcode :2020NatCo..11.4827C. doi : 10.1038/s41467-020-18577-4 . PMC 7518266 . PMID  32973167. 
  8. ^ Цуёси Удагава; Ёсихиро Шимизу; Такуя Уэда (март 2004 г.). «Доказательства инициации трансляции безлидерных мРНК интактной 70 S рибосомой без ее диссоциации на субъединицы у эубактерий». Журнал биологической химии . 279 (10): 8539–8546. doi : 10.1074/jbc.M308784200 . PMID  14670970.
  9. ^ Leiva, LE; Katz, A (28 марта 2022 г.). «Регулирование трансляции мРНК без лидера у бактерий». Микроорганизмы . 10 (4): 723. doi : 10.3390/microorganisms10040723 . PMC 9031893. PMID  35456773 . 
  10. ^ Структура канала, проводящего белок E. coli , связанного с транслирующей рибосомой, К. Митра и др. Nature (2005), т. 438, стр. 318
  11. ^ Savir Y, Tlusty T (апрель 2013 г.). «Рибосома как оптимальный декодер: урок молекулярного распознавания». Cell . 153 (2): 471–9. Bibcode :2013APS..MARY46006T. doi : 10.1016/j.cell.2013.03.032 . PMID  23582332.
  12. ^ Tirumalai MR, Rivas M, Tran Q, Fox GE (ноябрь 2021 г.). «Центр пептидилтрансферазы: окно в прошлое». Microbiol Mol Biol Rev. 85 ( 4): e0010421. Bibcode : 2021MMBR...85...21T. doi : 10.1128/MMBR.00104-21. PMC 8579967. PMID  34756086 . 
  13. ^ Dinos G, Kalpaxis DL, Wilson DN, Nierhaus KH (2005). «Деацилированная тРНК высвобождается из сайта E при занятии сайта A, но до того, как GTP гидролизуется EF-Tu». Nucleic Acids Research . 33 (16): 5291–6. doi :10.1093/nar/gki833. PMC 1216338. PMID  16166657 . 
  14. ^ Хирокава Г., Демешкина Н., Ивакура Н., Кадзи Х., Кадзи А. (март 2006 г.). «Шаг переработки рибосом: консенсус или противоречие?». Тенденции биохимических наук . 31 (3): 143–9. doi :10.1016/j.tibs.2006.01.007. ПМИД  16487710.
  15. ^ Павлов, MY; Антун, A; Ловмар, M; Эренберг, M (18 июня 2008 г.). «Дополнительные роли фактора инициации 1 и фактора рециклинга рибосомы в расщеплении рибосомы 70S». The EMBO Journal . 27 (12): 1706–17. doi :10.1038/emboj.2008.99. PMC 2435134. PMID  18497739 . 
  16. ^ Альбертс Б. и др. (2017). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гирляндная наука. стр. 301–303.
  17. ^ Пури П., Экхардт Т.Х., Франкен Л.Е., Фузетти Ф., Стюарт М.К., Букема Э.Дж., Койперс О.П., Кок Дж., Пулман Б. (январь 2014 г.). «Lactococcus Lactis YfiA необходим и достаточен для димеризации рибосом». Молекулярная микробиология . 91 (2): 394–407. дои : 10.1111/mmi.12468 . ПМИД  24279750.
  18. ^ Ямагиши М., Мацушима Х., Вада А., Сакагами М., Фудзита Н., Ишихама А. (февраль 1993 г.). «Регуляция гена rmf Escherichia coli, кодирующего фактор модуляции рибосомы: контроль, зависящий от фазы и скорости роста». Журнал EMBO . 12 (2): 625–30. doi :10.1002/j.1460-2075.1993.tb05695.x. PMC 413246. PMID  8440252 . 
  19. ^ Izutsu K, Wada C, Komine Y, Sako T, Ueguchi C, Nakura S, Wada A (май 2001 г.). «Связанный с рибосомой белок Escherichia coli SRA, количество копий которого увеличивается во время стационарной фазы». Journal of Bacteriology . 183 (9): 2765–73. doi :10.1128/JB.183.9.2765-2773.2001. PMC 99491 . PMID  11292794. 
  20. ^ Като Т, Йошида Х, Мията Т, Маки Й, Вада А, Намба К (июнь 2010 г.). «Структура рибосомы 100S на стадии гибернации, выявленная с помощью электронной криомикроскопии». Структура . 18 (6): 719–24. doi : 10.1016/j.str.2010.02.017 . PMID  20541509.
  21. ^ Вада А., Игараси К., Йошимура С., Аймото С., Ишихама А. (сентябрь 1995 г.). «Фактор модуляции рибосомы: ингибитор рибосомных функций Escherichia coli, специфичный для стационарной фазы роста». Biochemical and Biophysical Research Communications . 214 (2): 410–7. doi :10.1006/bbrc.1995.2302. PMID  7677746.
  22. ^ Агафонов ДЕ, Колб ВА, Назимов ИВ, Спирин АС (октябрь 1999). "Белок, находящийся на субъединичном интерфейсе бактериальной рибосомы". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (22): 12345–9. Bibcode :1999PNAS...9612345A. doi : 10.1073/pnas.96.22.12345 . PMC 22919 . PMID  10535924. 
  23. ^ Vila-Sanjurjo A, Schuwirth BS, Hau CW, Cate JH (ноябрь 2004 г.). «Структурная основа контроля инициации трансляции во время стресса». Nature Structural & Molecular Biology . 11 (11): 1054–9. doi :10.1038/nsmb850. PMID  15502846. S2CID  35493538.
  24. ^ Ortiz JO, Brandt F, Matias VR, Sennels L, Rappsilber J , Scheres SH , Eibauer M, Hartl FU, Baumeister W (август 2010 г.). «Структура гибернирующих рибосом, изученная с помощью криоэлектронной томографии in vitro и in situ». Журнал клеточной биологии . 190 (4): 613–21. doi :10.1083/jcb.201005007. PMC 2928015 . PMID  20733057. 
  25. ^ ab Polikanov YS, Blaha GM, Steitz TA (май 2012). «Как факторы гибернации RMF, HPF и YfiA отключают синтез белка». Science . 336 (6083): 915–8. Bibcode :2012Sci...336..915P. doi :10.1126/science.1218538. PMC 3377384 . PMID  22605777. 
  26. ^ Ueta M, Yoshida H, Wada C, Baba T, Mori H, Wada A (декабрь 2005 г.). «Связывающие рибосомы белки YhbH и YfiA имеют противоположные функции во время формирования 100S в стационарной фазе Escherichia coli». Genes to Cells . 10 (12): 1103–12. doi :10.1111/j.1365-2443.2005.00903.x. PMID  16324148. S2CID  25255882.
  27. ^ ab Häuser R, Pech M, Kijek J, Yamamoto H, Titz B, Naeve F, Tovchigrechko A, Yamamoto K, Szaflarski W, Takeuchi N, Stellberger T, Diefenbacher ME, Nierhaus KH, Uetz P (2012). "RsfA (YbeB) белки являются консервативными рибосомальными факторами сайленсинга". PLOS Genetics . 8 (7): e1002815. doi : 10.1371/journal.pgen.1002815 . PMC 3400551 . PMID  22829778. 
  28. ^ Zhang Y, Mandava CS, Cao W, Li X, Zhang D, Li N, Zhang Y, Zhang X, Qin Y, Mi K, Lei J, Sanyal S, Gao N (ноябрь 2015 г.). "HflX — это фактор расщепления рибосом, спасающий остановившиеся рибосомы в стрессовых условиях". Nature Structural & Molecular Biology . 22 (11): 906–13. doi :10.1038/nsmb.3103. PMID  26458047. S2CID  9228012.