Purinový riboswitch - Purine riboswitch

Purinový riboswitch
RF00167-rscape.svg
Identifikátory
SymbolPurin
RfamRF00167
Další údaje
RNA typCis-reg; riboswitch
DoményBakterie
TAKSO: 0000035
PDB strukturPDBe

A purinový riboswitch je posloupnost ribonukleotidy v některých messenger RNA (mRNA), na kterou se selektivně váže purin ligandy přes přírodní aptamer doména.[1] Tato vazba způsobí konformační změnu v mRNA, která může ovlivnit překlad odhalením expresní platformy pro downstream gen nebo vytvořením terminace translace kmenová smyčka.[2][3][4] Konečné účinky takových překladový regulace často podniká kroky ke zvládnutí velkého množství podněcujícího purinu a může produkovat proteiny, které purin usnadňují metabolismus nebo absorpce purinové membrány.[5]

Vazební vlastnosti

Purinové riboswitche se vážou na své purinové ligandy prostřednictvím interakcí na třícestném spojení tvořeném spojovací spirálou P1 a vlásenkovými spirálami P2 a P3.[3] Sdružení, která purin vytváří, když je v tom kapsa na vázání stabilizovat třícestný spoj a podporovat ligandem vázanou konformaci molekuly mRNA.[6] Purinový riboswitch může být nasycen již při koncentracích pouhých 5 nM, což odráží potřebu genové exprese rychle a dynamicky reagovat na změny koncentrace purinu.[7]

Navzdory relativní podobnosti purin-vázající aptamerové domény napříč různými purinovými riboswitchi může jedna vazebná kapsa stále rozlišovat jeden typ purinového ligandu s vysokou selektivitou.[7] Kritický pro tuto citlivost je jediný rozdíl v sekundární struktura ribonukleotidů: v poloze 74 aptamerové domény bylo zjištěno, že konverze a cytosin do a uracil mění aptamer z bytí guanin citlivý na bytí adenin citlivé a naopak.[7] Za takovou konverzi vděčí schopnost nukleotidu v poloze 74 až Watson-Crickův základní pár s ligandem ve vazebné kapse a příslušnou schopností cytosinu a uracilu přednostně vodíkové vazby s guaninem nebo adeninem.[7]

Účinek pozice 74 při určování citlivosti ligandu

Adenin Riboswitch

3D reprezentace adeninového riboswitche.[7]

Adeninový riboswitch selektivně rozpoznává adenin a obsahuje a uracil ribonukleotid v poloze 74 adenin-vázající aptamerové domény. Některé z častěji zkoumaných případů tohoto riboswitche jsou uvedeny níže.

přidat

The přidat gen kóduje adenosindeamináza a adeninový riboswitch, který je proti proudu, vystavuje gen spustit kodon a Sekvence Shine-Dalgarno když je ve vazebné kapse přítomen adenin.[6] Toto chování usnadňuje překlad adenosindeaminázy a tímto způsobem přidat adenosin riboswitch přispívá k metabolismu negativní zpětná vazba mechanismus, který reguluje množství adeninu přítomného v systému.

Nevázané a vázané konformace adeninového riboswitche

Konformační změny vázající ligand

The přidat adeninový riboswitch ukázal tři odlišné stabilní konformace v přítomnosti adeninu.[6] Když je nevázaná na adenin, sekvence mRNA konvertuje mezi dvěma různými nepřekládatelnými konformacemi, z nichž jedna je schopna přijmout adenin do vazebné kapsy a přizpůsobit se tvaru mRNA vázané na adenin.[6] Tento třístupňový mechanismus je zcela odlišný od standardního dvoustupňového vysvětlení působení riboswitche, které předpokládá jeden stav vázaný na ligand a jeden stav nevázaného ligandu. Tato mechanická jedinečnost přidat adenin riboswitch může sloužit jako výhoda pro organismy, jako je Vibrio vulnificus, jejichž rozmanitá stanoviště vyžadují obzvláště nuancovanou metabolickou citlivost na širokou škálu podmínek prostředí.

Obrázek vpravo ukazuje prostorovou výplň nevázaného stavu (vlevo, ze souboru PDB 5e54) a stavu s vázaným adeninem (vpravo, ze souboru PDB 5swe). Část zbarvená růžově tvoří úplnou spirálu RNA ve formě A ve vázané formě a žlutá část posune polohu.

Závislost na hořčíku a teplotě

Při vyšších teplotách dochází ke konverzi mezi různými konformacemi nevázaného přidat adeninový riboswitch upřednostňuje formu, která je schopna přijímat adenin do své vázací kapsy.[6] Vyšší teploty také upřednostňují přeměnu tohoto nevázaného riboswitche na konformaci vázanou na adenin a počáteční sekvenci.[6] Koncentrace Hořčík ion má vliv pouze na poslední z těchto změn konformace a upřednostňuje vazbu adeninu na riboswitch.[6] Kombinace těchto efektů umožňuje kontrolovanější překlad přidat gen při nižších teplotách: odebrání části nenavázaného riboswitche a její neschopnost vázat adenin zvyšuje citlivost zbývající části na hořčík.[6]

pbuE

The pbuE Gen kóduje purinovou bázi efluxní čerpadlo. Vazba adeninu na pbuE adenin riboswitch narušuje strukturu a zakončovací stopka který blokoval přístup k platformě genové exprese.[3] Tímto způsobem může nadbytek adeninu zahájit proces odtoku adeninu z buňky.

Konformační změny vázající ligand

Na rozdíl od přidat adenin riboswitch, pbuE Zdá se, že adeninový riboswitch existuje v jedné ze dvou stabilních konformací. Vazba adeninu způsobuje tvorbu antiterminátoru, což umožňuje dokončení transkripce.[3] Při absenci adeninu se aptamerová doména riboswitche místo toho asociuje s expresní platformou riboswitche, což vede k ukončení transkripce.[3]

Guanine Riboswitch

3D reprezentace guaninového riboswitche.[3]

Guanine Riboswitch selektivně rozpoznává guanin a obsahuje a cytosin ribonukleotid v poloze 74 domény aptameru vázající guanin. Jedna z častěji zkoumaných instancí tohoto riboswitche je podrobně popsána níže.

xpt

The xpt gen kóduje specifický xanthin fosforibosyltransferáza protein, který se podílí na metabolismu purinů. Na rozdíl od přidat gen nebo pbuE gen, vazba ligandu na xpt guaninový riboswitch slouží jako translační vypínač.[8] The xpt guaninový riboswitch aptamer je stabilizován guaninem způsobem, který umožňuje riboswitchi snadněji vázat hořčík, což způsobuje skládání mRNA tak, že xpt gen přestává být překládán.[9]

Praktická užitečnost

Jako ostatní riboswitche, purinové riboswitche se nacházejí v pět nepřekládaných oblastí (5 'UTR) prokaryotické mRNA.[5] Protože funkce této oblasti je důležitá pro bakteriální metabolismus, purinové riboswitche představují potenciálně užitečný lékový cíl.[10] Purinový riboswitch je navíc dosud jediným riboswitchem, který byl mutován, aby reagoval na nepřirozené ligandy, což otevírá možnosti použití riboswitch jako nových nástrojů genové exprese.[11]

Reference

  1. ^ Mandal, M; Boese B; Barrick JE; Winkler WC; Breaker RR (2003). „Riboswitches Control Fundamental Biochemical Pathways in Bacillus subtilis and Other Bacteria“. Buňka. 113 (5): 577–586. doi:10.1016 / S0092-8674 (03) 00391-X. PMID  12787499.
  2. ^ Mandal, M; Breaker RR (2004). "Adeninové riboswitche a aktivace genů narušením terminátoru transkripce". Nat Struct Mol Biol. 11 (1): 29–35. doi:10.1038 / nsmb710. PMID  14718920.
  3. ^ A b C d E F Thirumalai, D; Lin J (2008). "Relativní stabilita helixů určuje skládací krajinu adeptinů riboswitchových adeptů". Journal of the American Chemical Society. 130 (43): 14080–14081. doi:10.1021 / ja8063638.
  4. ^ Batey, RT; Gilbert SD; Montange RK (2004). „Struktura přírodního riboswitche reagujícího na guanin v komplexu s metabolitem hypoxantinem“. Příroda. 432 (7015): 411–415. doi:10.1038 / nature03037. PMID  15549109.
  5. ^ A b Sengupta, S; Singh, P (2012). „Fylogenetická analýza a komparativní genomika distribuce purinových riboswitchů u prokaryot“. Evoluční bioinformatika. 8: 589–609. doi:10.4137 / EBO.S10048. PMC  3499989. PMID  23170063.
  6. ^ A b C d E F G h Reining, Anke; Nozinovic, Senada; Schlepckow, Kai; Buhr, Florian; Fürtig, Boris; Schwalbe, Harald (2013). „Třístupňový mechanismus spojuje ligand a snímání teploty v Riboswitches“. Příroda. 499 (7458): 355–360. doi:10.1038 / příroda12378. PMID  23842498.
  7. ^ A b C d E Serganov A, Yuan YR, Pikovskaya O, Polonskaia A, Malinina L, Phan AT, Hobartner C, Micura R, Breaker RR, Patel DJ (2004). „Strukturální základ pro diskriminační regulaci genové exprese mRNA snímajícími adenin a guanin“. Chem Biol. 11 (12): 1729–1741. doi:10.1016 / j.chembiol.2004.11.018. PMC  4692365. PMID  15610857.
  8. ^ Schwalbe, H; Wacker A; Buck J; Richter C; Wohnert J (2011). "Struktura a dynamika riboswitche snímajícího deoxyguanosin studovaného pomocí NMR-spektroskopie". Výzkum nukleových kyselin. 39 (15): 6802–6812. doi:10.1093 / nar / gkr238. PMC  3159443. PMID  21576236.
  9. ^ Silverman, S; Brenner MD; Scanlan MS; ahas MK; Ha T (2010). "Multivektorová fluorescenční analýza xpt Guanine Riboswitch Aptamer Domain a konformační role guaninu ". Biochemie. 49 (8): 1596–1605. doi:10.1021 / bi9019912. PMC  2854158. PMID  20108980.
  10. ^ Silverman, Richard (2004). Organic Chemistry of Drug Disign and Drug Acion. Elsevier Academic Press. ISBN  978-0-12-643732-4.
  11. ^ Dixon N, Duncan, J.N. a kol. (Leden 2010). „Reengineering ortogonally selective riboswitches“ (PDF). PNAS. 107 (7): 2830–2835. doi:10.1073 / pnas.0911209107. PMC  2840279. PMID  20133756.

externí odkazy