Трансляционная регуляция
Трансляционная регуляция относится к контролю уровней белка , синтезируемого из его мРНК . Эта регуляция чрезвычайно важна для клеточного ответа на стрессоры, сигналы роста и дифференцировки . По сравнению с регуляцией транскрипции , это приводит к гораздо более немедленной клеточной адаптации посредством прямой регуляции концентрации белка. Соответствующие механизмы в первую очередь направлены на контроль рекрутирования рибосом на инициационном кодоне , но могут также включать модуляцию удлинения пептида, прекращение синтеза белка или биогенез рибосом . Хотя эти общие концепции широко сохраняются, было доказано, что некоторые более мелкие детали такого рода регуляции различаются у прокариотических и эукариотических организмов.
У прокариот
[ редактировать ]Инициация
[ редактировать ]Инициация трансляции регулируется доступностью рибосом к последовательности Шайна-Дальгарно . Этот участок из четырех-девяти пуриновых остатков расположен выше инициирующего кодона и гибридизуется с богатой пиримидином последовательностью вблизи 3'-конца 16S РНК в составе 30S бактериальной рибосомальной субъединицы . [1] Полиморфизм в этой конкретной последовательности оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на эффективность спаривания оснований и последующей экспрессии белка. [2] Инициация также регулируется белками, известными как факторы инициации , которые обеспечивают кинетическую помощь связыванию между кодоном инициации и тРНК. fMet , который поставляет антикодон 3'-UAC-5'. IF1 сначала связывает субъединицу 30S, вызывая конформационные изменения. [3] это позволяет дополнительно связывать IF2 и IF3. [4] IF2 гарантирует, что тРНК fMet остается в правильном положении, в то время как IF3 корректирует пару оснований инициирующих кодонов, чтобы предотвратить неканоническую инициацию кодонов, таких как AUU и AUC. [5] Как правило, эти факторы инициации экспрессируются в равной пропорции с рибосомами, однако эксперименты с использованием условий холодового шока показали, что они создают стехиометрический дисбаланс между этими механизмами трансляции. В этом случае двух-трехкратные изменения в экспрессии факторов инициации совпадают с увеличением благоприятности к трансляции специфических мРНК холодового шока. [6]
Удлинение
[ редактировать ]В связи с тем, что элонгация трансляции является необратимым процессом, механизмов ее регуляции известно немного. Однако было показано, что эффективность трансляции снижается из-за уменьшения пулов тРНК, которые необходимы для элонгации полипептидов. Фактически, богатство этих пулов тРНК может меняться в зависимости от снабжения клеток кислородом. [7]
Прекращение действия
[ редактировать ]Для прекращения трансляции необходима координация между белками-факторами высвобождения, последовательностью мРНК и рибосомами. После считывания терминирующего кодона факторы высвобождения RF-1, RF-2 и RF-3 способствуют гидролизу растущего полипептида, который обрывает цепь. Основания, расположенные ниже стоп-кодона, влияют на активность этих факторов высвобождения. Фактически, некоторые основания, проксимальные к стоп-кодону, подавляют эффективность терминации трансляции за счет снижения ферментативной активности факторов высвобождения. Например, эффективность терминации стоп-кодона UAAU составляет около 80%, тогда как эффективность UGAC как сигнала терминации составляет всего 7%. [8]
У эукариотов
[ редактировать ]Инициация
[ редактировать ]При сравнении инициации у эукариот с прокариотами, возможно, одним из первых заметных различий является использование более крупной 80S рибосомы. Регуляция этого процесса начинается с доставки метионина антикодоном тРНК, образующим пары оснований AUG. Это спаривание оснований происходит за счет механизма сканирования, который возникает, когда небольшая 40S рибосомальная субъединица связывается с 5'-нетранслируемой областью (UTR) мРНК. Использование этого механизма сканирования, в отличие от последовательности Шайна-Дальгарно, которая упоминалась у прокариот, заключается в способности регулировать трансляцию через вышестоящие вторичные структуры РНК . Это ингибирование инициации посредством сложных структур РНК в некоторых случаях можно обойти с помощью внутренних сайтов входа в рибосомы (IRES), которые локализуют преинициативные комплексы (PIC) в стартовом сайте. [9] В дополнение к этому, направление PIC к 5'-UTR координируется субъединицами PIC, известными как эукариотические факторы инициации (eIF). Когда активность некоторых из этих белков снижается из-за стресса, инициация трансляции снижается за счет ингибирования кэп-зависимой инициации , активации трансляции путем связывания eIF4E с 5'-7-метилгуанилатным кэпом . eIF2 отвечает за координацию взаимодействия между Met-тРНК и Из и P-сайт рибосомы. Регуляция фосфорилированием eIF2 во многом связана с прекращением инициации трансляции. [10] Серинкиназы , GCN2 , PERK, PKR и HRI являются примерами механизмов обнаружения различных клеточных стрессов, которые реагируют замедлением трансляции посредством фосфорилирования eIF2.
Удлинение
[ редактировать ]Отличительным отличием элонгации у эукариот от прокариот является ее отделение от транскрипции. Хотя прокариоты способны одновременно осуществлять оба клеточных процесса, пространственное разделение, обеспечиваемое ядерной мембраной, предотвращает это соединение у эукариот. Эукариотический фактор элонгации 2 (eEF2) представляет собой регулируемую GTP -зависимую транслоказу, которая перемещает образующиеся полипептидные цепи из A-сайта в P-сайт рибосомы. Фосфорилирование треонина 56 ингибирует связывание eEF2 с рибосомой. [11] Доказано, что клеточные стрессоры, такие как аноксия , вызывают ингибирование трансляции посредством этого биохимического взаимодействия. [12]
Прекращение действия
[ редактировать ]Механически терминация эукариотической трансляции соответствует своему прокариотическому аналогу. В этом случае обрыв полипептидной цепи достигается за счет гидролитического действия гетеродимера , состоящего из факторов высвобождения eRF1 и eRF3 . Считается, что терминация трансляции в некоторых случаях является проблематичной, поскольку некодирующие тРНК могут конкурировать с факторами высвобождения за связывание стоп-кодонов. Это возможно благодаря совпадению 2 из 3 оснований внутри стоп-кодона с помощью тРНК, которые иногда могут превосходить спаривание оснований фактора высвобождения. [13] Примером регуляции на уровне терминации является функциональное трансляционное прочтение гена лактатдегидрогеназы LDHB. Это считывание обеспечивает сигнал пероксисомального нацеливания, который локализует отдельный LDHBx в пероксисоме. [14]
В растениях
[ редактировать ]Трансляция у растений жестко регулируется, как и у животных, однако она не так хорошо изучена, как регуляция транскрипции. Существует несколько уровней регуляции, включая инициацию трансляции, оборот мРНК и загрузку рибосом. Недавние исследования показали, что перевод также находится под контролем циркадных часов. Как и транскрипция, состояние трансляции многочисленных мРНК меняется в течение суточного цикла (период день-ночь). [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2008). Леннигер: Принципы биохимии (Пятое изд.). WH Фриман и компания. п. 243. ISBN 978-0716771081 .
- ^ Джонсон Дж. (1991). «Вмешательство в развитие фага лямбда со стороны небольшой субъединицы терминазы фага 21, gp1». Журнал бактериологии . 173 (9): 2733–2738. ПМК 207852 . ПМИД 1826903.
- ^ Картер, AP; Клемонс, ВМ; Бродерсен, Делавэр; Морган-Уоррен, Р.Дж.; Хартч, Т.; Уимберли, Британская Колумбия; Рамакришнан, В. Кристаллическая структура фактора инициации, связанного с рибосомальной субъединицей 30≪Em≫S≪/Em≫. Наука 2001, 291 , 498–501, дои : 10.1126/science.1057766
- ^ Милон П., Мараччи С., Филонава Л., Гуалерци СО, Роднина М.В. Ландшафт сборки бактериального комплекса инициации трансляции 30S в реальном времени. Nat Struct Мол Биол. 2012;19:609–615.
- ^ Харц Д., Макфитерс Д.С., Голд Л. Выбор инициаторной тРНК с помощью факторов инициации Escherichia coli . Генс Дев. 1989;3:1899–1912. дои : 10.1101/gad.3.12a.1899
- ^ Джулиодори А.М., Брэнди А., Гуалерзи К.О., Пон К.Л., 2004. Преимущественная трансляция мРНК холодового шока во время адаптации к холоду. РНК 10(2): 265–276. два : 10.1261/rna.5164904
- ^ Тейлор, Р.К., Уэбб Робертсон, Б.-Дж.М., Маркилл, Л.М., Серрес, М.Х., Лингги, Б.Е., Олдрич, Дж.Т.,… Уайли, С. (2013). Изменения эффективности трансляции являются доминирующим регуляторным механизмом реакции бактерий на окружающую среду. Интегративная биология: количественные биологические науки от нано к макросу , 5 (11), 1393–1406. дои : 10.1039/c3ib40120k
- ^ Пул, ES, Браун, CM, и Тейт, WP (1995). Идентичность основания, следующего за стоп-кодоном, определяет эффективность терминации трансляции in vivo у Escherichia coli. Журнал EMBO , 14 (1), 151–158.
- ^ Лопес-Ластра, М; Ривас, А; Барриа, Мичиган (2005). «Синтез белка у эукариот: растущая биологическая значимость инициации трансляции, независимой от кэпа». Биологические исследования . 38 (2–3): 121–46. doi : 10.4067/s0716-97602005000200003 PMID 16238092.
- ^ Кимбалл С.Р. Фактор инициации эукариот eIF2. Межд. Дж. Биохим. Клеточная Биол. 1999;31:25–29.
- ^ Овчинников Л.П., Мотуз Л.П., Натапов П.Г., Авербух Л.Дж., Веттенхолл Р.Э., Шишка Р., Крамер Г., Хардести Б. 1990. Три сайта фосфорилирования в факторе элонгации 2. FEBS Lett. 275: 209–212
- ^ Хорман С., Браун Г., Краузе У., Патель Дж., Вертоммен Д., Бертран Л., Лавуан А., Хью Л., Прауд С., Райдер М. 2002. Активация AMP-активируемой протеинкиназы приводит к фосфорилированию фактора элонгации 2 и ингибирование синтеза белка. Курс. Биол. 12:1419–1423
- ^ Дабровский М., Букови-Биерилло З., Зиткевич Э. Потенциал трансляционного прочтения естественных терминирующих кодонов у эукариот - влияние последовательности РНК. РНК Биол. 2015;12:950–8.
- ^ Шурен Ф., Лингнер Т., Джордж Р., Хофхейс Дж., Гартнер Дж., Томс С. (2014). «Пероксисомальная лактатдегидрогеназа генерируется путем трансляционного чтения у млекопитающих». электронная жизнь . 3 : e03640. два : 10.7554/eLife.03640
- ^ Миссра, Анамика; Эрнест, Бен; Лохофф, Тим; Цзя, Цидун; Саттерли, Джеймс; Ке, Кеннет; Арним, Альбрехт Г. фон. «Циркадные часы модулируют глобальные суточные циклы загрузки рибосом мРНК». Растительная клетка . 27 (9): 2582–2599. дои : 10.1105/tpc.15.00546 PMC 4815098. ПМИД 26392078.
