Ribosomální posun snímků - Ribosomal frameshift

Ribosomální posun rámců, také známý jako překladové posuny rámců nebo překladové překódování, je biologický jev, ke kterému dochází během překlad což má za následek produkci několika jedinečných bílkoviny od jednoho mRNA.[1] Proces může být programován nukleotidovou sekvencí mRNA a je někdy ovlivněn sekundární, trojrozměrná struktura mRNA.[2] To bylo popsáno hlavně v viry (zvláště retroviry ), retrotranspozony a bakteriální inzerční prvky a také v některých buněčných genech.[3]

Přehled procesu

Proteiny se překládají čtením tri-nukleotidů na řetězci mRNA, známém také jako kodony, z jednoho konce mRNA na druhý (od 5 'do 3' konce). Každý kodon je přeložen do jediného aminokyselina. Posun libovolného počtu nukleotidů, který není ve čtecím rámci dělitelný 3, bude mít tedy za následek odlišné čtení následujících kodonů.[4] To účinně mění ribozomální čtecí rámec.

Příklad věty

V tomto příkladu má následující věta se třípísmennými slovy smysl při čtení od začátku:

| Start |TKOČEK A ČLOVĚK JSOU TUČNÍ ... | Start | 123 123 123 123 123 123 123 ...

Pokud je však čtecí rámec posunut o jedno písmeno na mezi T a H ​​prvního slova (efektivně posun snímků +1, když považujeme pozici 0 za počáteční pozici T),

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

pak věta zní jinak a nedává smysl.

Příklad DNA

V tomto příkladu je následující sekvence oblastí lidský mitochondriální genom s těmi dvěma překrývající se geny MT-ATP8 a MT-ATP6 Při čtení od začátku mají tyto kodony smysl pro ribozom a lze je převést na aminokyseliny (AA) pod mitochondriální kód obratlovců:

| Start |AAC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ... | Start | 123 123 123 123 123 123 123 123 ... | AA | N E N L F A S ...

Pojďme však změnit čtecí rámec spuštěním jednoho nukleotidu po proudu (ve skutečnosti „+1 shifthift“, když považujeme pozici 0 za počáteční pozici A):

A| Start | ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA ...- | Start | 123 123 123 123 123 123 12 ... | AA | T K I C S L ...

Nyní, kvůli tomuto posunu +1 rámců, se DNA sekvence čte jinak. Různé čtecí rámce kodonů proto poskytují různé aminokyseliny.

V případě překládání ribozomu může mít za následek posun snímků nesmysl (předčasný stop kodon) po posunu snímků nebo vytvoření zcela nového proteinu po posunu snímků. V případě, že posun snímků má za následek nesmysl, NMD (nesmyslem zprostředkovaný rozpad mRNA ) dráha může zničit transkript mRNA, takže posun rámců by sloužil jako metoda regulace úrovně exprese přidruženého genu.[5]

Funkce

U virů lze tento jev naprogramovat tak, aby se vyskytoval na konkrétních místech, a umožňuje viru kódovat více typů proteinů ze stejné mRNA. Pozoruhodné příklady zahrnují HIV-1 (virus lidské imunodeficience),[6] RSV (Virus Rousova sarkomu )[7] a chřipka virus (chřipka),[8] které se všechny spoléhají na posun rámců k vytvoření správného poměru proteinů 0 rámců (normální překlad) a „transrámců“ (kódovaných sekvencí posunutých rámců). Jeho použití ve virech je primárně pro další zhutňování genetický informace na kratší množství genetického materiálu.

U eukaryot se zdá, že hraje roli v regulaci úrovní genové exprese generováním předčasných zastávek a produkcí nefunkčních transkriptů.[3][9]

Druhy řazení rámů

Nejběžnějším typem posunu snímků je -1 posun snímků nebo programovaný −1 posun ribosomálních rámců (−1 PRF). Jiné, vzácnější typy posunu snímků zahrnují +1 a -2 posunutí snímků.[2] Předpokládá se, že posun snímků -1 a +1 je řízen různými mechanismy, které jsou popsány níže. Oba mechanismy jsou kineticky řízený.

Naprogramovaný -1 posun ribozomálních rámců

Tandemový sklouznutí 2 tRNA v kluzké sekvenci viru sarcoma viru. Po posunu rámců jsou nové párování bází správné u prvního a druhého nukleotidu, ale nesprávné u polohy kolísání. E, P, a A jsou označena místa ribozomu. Umístění rostoucího polypeptidového řetězce není na obrázku uvedeno, protože dosud neexistuje shoda v tom, zda dojde k skluzu -1 před nebo po přenosu polypeptidu z tRNA z P-místa na tRNA z A-místa (v tomto případě z tRNA Asn do Leu tRNA).[7]

Při posunu -1 rámců ribozom sklouzne o jeden nukleotid a pokračuje v translaci v -1 rámu. Typicky existují tři prvky, které obsahují signál posunu rámce −1: a kluzká sekvence, mezerníková oblast a Sekundární struktura RNA. Kluzká sekvence odpovídá motivu X_XXY_YYZ, kde XXX jsou libovolné tři identické nukleotidy (i když se vyskytují určité výjimky), YYY obvykle představuje UUU nebo AAA a Z je A, C nebo U. Protože struktura tohoto motivu obsahuje 2 sousední 3-nukleotidy opakuje se věří, že -1 posun snímků je popsán modelem tandemového skluzu, ve kterém se ribozomální tRNA antikodonu P-místa znovu páruje z XXY na XXX a antikodon A-místa se znovu páruje z YYZ na YYY. Tyto nové párování jsou identické s párováním 0 snímků, kromě jejich třetích pozic. Tento rozdíl významně nezhoršuje vazbu antikodonu, protože třetí nukleotid v kodonu, známý jako vratká pozice, má slabší antikodonovou vazebnou specificitu pro tRNA než první a druhý nukleotid.[2][10] V tomto modelu je struktura motivu vysvětlena skutečností, že první a druhá poloha antikodonů musí být schopny se dokonale spárovat v rámci 0 i −1. Nukleotidy 2 a 1 proto musí být identické a nukleotidy 3 a 2 také musí být identické, což vede k požadované sekvenci 3 identických nukleotidů pro každou tRNA, která sklouzne.[11]

+1 posunutí ribozomálních rámců

Posun +1 k rámečku nastává jako pauza ribozomu a tRNA na P-místě, aby se počkalo na příjezd vzácné argininové tRNA. Kodon A-místa v nových párových rámcích na antikodon běžnější glycinové tRNA a translace pokračuje.[12]

Kluzká sekvence pro signál posunu +1 rámečku nemá stejný motiv a místo toho se zdá, že funguje pozastavením ribozomu v sekvenci kódující vzácnou aminokyselinu.[12] Ribozomy nepřekládají proteiny stabilní rychlostí, bez ohledu na sekvenci. Překlad některých kodonů trvá déle, protože jich není stejné množství tRNA konkrétního kodonu v cytosol.[13] Kvůli tomuto zpoždění existují v malých částech kodonové sekvence, které řídí rychlost posunu ribozomálních rámců. Konkrétně se ribozom musí pozastavit, aby počkal na příchod vzácné tRNA, což zvyšuje kinetickou výhodnost ribozomu a jeho přidružené tRNA proklouzávající do nového rámce.[12][14] V tomto modelu je změna čtecího rámce způsobena spíše jediným skluzem tRNA než dvěma.

Kontrolní mechanismy

Ribosomální posun rámců může být řízen mechanismy nalezenými v sekvenci mRNA (cis působící). Toto se obecně týká kluzké sekvence, sekundární struktury RNA nebo obou. Signál posunu −1 snímků se skládá z obou prvků oddělených distanční oblastí typicky dlouhou 5–9 nukleotidů.[2] Posunutí rámu může být také indukováno jinými molekulami, které interagují s ribozomem nebo mRNA (trans-působící).

Signální prvky řadicí páky

Toto je grafické znázornění signálu posunu rámce HIV1. Posun −1 snímků v oblasti kluzké sekvence vede k překladu pol místo gag oblast kódující protein nebo otevřený čtecí rámec (ORF). Gag i pol proteiny jsou nutné pro reverzní transkriptázu, která je nezbytná pro replikaci HIV1.[6]

Kluzká sekvence

Kluzké sekvence může potenciálně způsobit, že čtení ribozomu "sklouzne" a přeskočí řadu nukleotidy (obvykle pouze 1) a poté si přečtěte úplně jiný rámeček. V naprogramovaném -1 posunu ribozomálních rámců zapadá kluzká sekvence do motivu X_XXY_YYZ, kde XXX jsou libovolné tři identické nukleotidy (i když se vyskytují některé výjimky), YYY obvykle představuje UUU nebo AAA a Z je A, C nebo U. V případě + 1 posun snímků, kluzká sekvence obsahuje kodony, pro které je odpovídající tRNA vzácnější, a posun snímků je upřednostňován, protože kodon v novém rámci má běžnější přidruženou tRNA.[12] Jedním příkladem kluzké sekvence je polyA na mRNA, o které je známo, že indukuje sklouznutí ribozomu i při absenci dalších prvků.[15]

Sekundární struktura RNA

Účinné přesouvání ribozomálních rámců obecně vyžaduje přítomnost sekundární struktury RNA ke zvýšení účinků kluzké sekvence.[11] Struktura RNA (což může být a kmenová smyčka nebo pseudoknot ) se předpokládá, že pozastaví ribozom na kluzkém místě během překladu a nutí jej k přemístění a pokračování replikace z polohy -1. Předpokládá se, že k tomu dochází, protože struktura fyzicky blokuje pohyb ribozomu tím, že se zasekne v tunelu ribosomové mRNA.[2] Tento model je podporován skutečností, že síla pseudoknotu byla pozitivně korelována s úrovní posunu rámců pro přidruženou mRNA.[3][16]

Níže jsou uvedeny příklady předpovídaných sekundárních struktur prvků posunu snímků, které stimulují posun snímků v různých organismech. Většina zobrazených struktur jsou kmenové smyčky, s výjimkou struktury pseudoknotu ALIL (apical loop-internal loop). Na těchto obrázcích představují větší a neúplné kruhy mRNA lineární oblasti. Sekundární struktury „kmen-smyčka“, kde „kmeny“ jsou tvořeny oblastí párování bází mRNA s jinou oblastí na stejném vlákně, jsou vyčnívající z lineární DNA. Lineární oblast signálu ribosomálního posunu rámce HIV obsahuje vysoce konzervativní kluznou sekvenci UUU UUU; mnoho dalších předpokládaných struktur obsahuje také kandidáty na kluzké sekvence.

Sekvence mRNA na obrázcích lze číst podle souboru pokynů. Zatímco A, T, C a G představují konkrétní nukleotid v poloze, existují také písmena, která představují nejednoznačnost, která se používají, když se v této poloze může vyskytnout více než jeden druh nukleotidu. Pravidla Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC ) jsou následující:[17]

Symbol[17]PopisZastoupené základnyDoplněk
AAodmítnoutA1T
CCytosinCG
GGuaninGC
TThymínTA
UUracilUA
ŽŽeakAT2Ž
SStrongCGS
MAMinoACK.
K.K.etoGTM
RpuRineAGY
YpYrimidinCTR
Bne A (B přijde po A)CGT3PROTI
Dne C (D přichází po C)AGTH
Hne G (H přichází po G)ACTD
PROTIne T (PROTI přichází po T a U)ACGB
Nžádný Nucleotid (není mezera)ACGT4N
ZZero0Z

Tyto symboly platí také pro RNA, kromě případů, kdy U (uracil) nahradí T (thymin).[17]

Prvky posunu rámu
TypRozděleníČj.
ALIL pseudoknotBakterie[18]
Stimulační prvek měnící rámce antiizymové RNABezobratlí[19]
Stimulační prvek posouvající rámce koronaviruKoronavirus[20]
Prvek posunu ribozomálních rámců DnaXEukaryota, bakterie[21]
Signál posunu ribozomální HIVViry
Vkládací sekvence IS1222 prvek posouvající ribozomální rámceEukaryota, bakterie
Ribosomální posun snímkůViry

Trans-působící prvky

Bylo zjištěno, že malé molekuly, proteiny a nukleové kyseliny stimulují úrovně posunu snímků. Například mechanismus smyčky negativní zpětné vazby v polyamin cesta syntézy je založena na hladinách polyaminu stimulujících zvýšení posunů +1 rámců, což vede k produkci inhibičního enzymu. Ukázalo se také, že určité proteiny, které jsou potřebné pro rozpoznávání kodonů nebo které se vážou přímo na sekvenci mRNA, modulují úrovně posunu rámců. MicroRNA (miRNA) molekuly mohou hybridizovat se sekundární strukturou RNA a ovlivňovat její sílu.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ Atkins JF, Loughran G, Bhatt PR, Firth AE, Baranov PV (září 2016). „Posunování ribozomálních rámců a skluzu transkripce: Od genetické steganografie a kryptografie k náhodnému použití“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (15): 7007–7078. doi:10.1093 / nar / gkw530. PMC  5009743. PMID  27436286.
  2. ^ A b C d E Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE (červen 2017). „Proteinem řízený ribozomální posun rámců dočasně reguluje genovou expresi“. Příroda komunikace. 8: 15582. Bibcode:2017NatCo ... 815582N. doi:10.1038 / ncomms15582. PMC  5472766. PMID  28593994.
  3. ^ A b C Ketteler R (2012). „O naprogramovaném posunu ribozomálních rámců: alternativní proteomy“. Frontiers in Genetics. 3: 242. doi:10.3389 / fgene.2012.00242. PMC  3500957. PMID  23181069.
  4. ^ Ivanov IP, Atkins JF (2007). „Posouvání ribozomálních rámců při dekódování antizymových mRNA z kvasinek a protistů na člověka: téměř 300 případů odhaluje pozoruhodnou rozmanitost navzdory základní ochraně“. Výzkum nukleových kyselin. 35 (6): 1842–1858. doi:10.1093 / nar / gkm035. PMC  1874602. PMID  17332016.
  5. ^ A b Dever TE, Dinman JD, Green R (srpen 2018). „Prodloužení a překódování překladu v eukaryotech“. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii. 10 (8): a032649. doi:10.1101 / cshperspect.a032649. PMC  6071482. PMID  29610120.
  6. ^ A b Jacks T, Power MD, Masiarz FR, Luciw PA, Barr PJ, Varmus HE (leden 1988). "Charakterizace posunu ribozomálních rámců v expresi gag-pol HIV-1". Příroda. 331 (6153): 280–283. Bibcode:1988Natur.331..280J. doi:10.1038 / 331280a0. PMID  2447506.
  7. ^ A b Jacks T, Madhani HD, Masiarz FR, Varmus HE (listopad 1988). „Signály pro posun ribozomálních rámců v oblasti gag-pol viru Rousova sarkomu“. Buňka. 55 (3): 447–458. doi:10.1016/0092-8674(88)90031-1. PMC  7133365. PMID  2846182.
  8. ^ 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 (Červenec 2012). „Překrývající se oblast kódující protein v segmentu 3 viru chřipky A moduluje odpověď hostitele“. Věda. 337 (6091): 199–204. Bibcode:2012Sci ... 337..199J. doi:10.1126 / science.1222213. PMC  3552242. PMID  22745253.
  9. ^ Advani VM, Dinman JD (leden 2016). „Přeprogramování genetického kódu: objevující se role posunu ribozomálních rámců při regulaci buněčné genové exprese“. BioEssays. 38 (1): 21–26. doi:10.1002 / bies.201500131. PMC  4749135. PMID  26661048.
  10. ^ Crick FH (srpen 1966). „Codon - antikodonové párování: kolísavá hypotéza“. Journal of Molecular Biology. 19 (2): 548–555. doi:10.1016 / S0022-2836 (66) 80022-0. PMID  5969078.
  11. ^ A b Brierley I (srpen 1995). „Ribozomální rámce měnící virové RNA“. The Journal of General Virology. 76 (Pt 8) (8): 1885–1892. doi:10.1099/0022-1317-76-8-1885. PMID  7636469.
  12. ^ A b C d Harger JW, Meskauskas A, Dinman JD (září 2002). „Integrovaný model“ naprogramovaného posunu ribozomálních rámců “. Trendy v biochemických vědách. 27 (9): 448–454. doi:10.1016 / S0968-0004 (02) 02149-7. PMID  12217519.
  13. ^ Gurvich OL, Baranov PV, Gesteland RF, Atkins JF (červen 2005). „Úroveň exprese ovlivňuje posun ribozomálních rámců v tandemových vzácných kodonech argininu AGG_AGG a AGA_AGA v Escherichia coli“. Journal of Bacteriology. 187 (12): 4023–4032. doi:10.1128 / JB.187.12.4023-4032.2005. PMC  1151738. PMID  15937165.
  14. ^ Caliskan N, Katunin VI, Belardinelli R, Peske F, Rodnina MV (červen 2014). "Naprogramované frames1 posunutí rámců kinetickým rozdělením během blokované translokace". Buňka. 157 (7): 1619–1631. doi:10.1016 / j.cell.2014.04.041. PMID  24949973.
  15. ^ Arthur L, Pavlovic-Djuranovic S, Smith-Koutmou K, Green R, Szczesny P, Djuranovic S (červenec 2015). "Translační kontrola sekvencemi bohatými na A kódující lysin". Vědecké zálohy. 1 (6): e1500154. Bibcode:2015SciA .... 1E0154A. doi:10.1126 / sciadv.1500154. PMC  4552401. PMID  26322332.
  16. ^ Hansen TM, Reihani SN, Oddershede LB, Sørensen MA (duben 2007). "Korelace mezi mechanickou pevností poselských RNA pseudoknotů a posunem ribozomálních rámců". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 104 (14): 5830–5835. Bibcode:2007PNAS..104,5830H. doi:10.1073 / pnas.0608668104. PMC  1838403. PMID  17389398.
  17. ^ A b C Výbor pro nomenklaturu Mezinárodní unie pro biochemii (NC-IUB) (1984). „Nomenklatura pro neúplně specifikované báze v sekvencích nukleových kyselin“. Citováno 4. února 2008.
  18. ^ Mazauric MH, Licznar P, Prère MF, Canal I, Fayet O (červenec 2008). „Apikální smyčka-vnitřní smyčka RNA pseudoknoty: nový typ stimulátoru −1 posunu translačních rámců v bakteriích“. The Journal of Biological Chemistry. 283 (29): 20421–20432. doi:10,1074 / jbc.M802829200. PMID  18474594.
  19. ^ Ivanov IP, Anderson CB, Gesteland RF, Atkins JF (červen 2004). „Identifikace nového antizymového mRNA +1 rámce měnícího stimulační pseudoknot v podskupině různých bezobratlých a jeho zjevná absence u přechodných druhů“. Journal of Molecular Biology. 339 (3): 495–504. doi:10.1016 / j.jmb.2004.03.082. PMC  7125782. PMID  15147837.
  20. ^ Baranov PV, Henderson CM, Anderson CB, Gesteland RF, Atkins JF, Howard MT (únor 2005). „Naprogramovaný posun ribozomálních rámců při dekódování genomu SARS-CoV“. Virologie. 332 (2): 498–510. doi:10.1016 / j.virol.2004.11.038. PMID  15680415.
  21. ^ Larsen B, Gesteland RF, Atkins JF (srpen 1997). „Strukturální sondování a mutagenní analýza kmenové smyčky potřebné pro posun ribozomálních rámců Escherichia coli dnaX: programovaná účinnost 50%“. Journal of Molecular Biology. 271 (1): 47–60. doi:10.1006 / jmbi.1997.1162. PMC  7126992. PMID  9300054.

externí odkazy