Блог

Jun 22, 2023

Декодирование мРНК у человека кинетически и структурно отличается от бактерий.

Природа том 617, стр.

Nature, том 617, страницы 200–207 (2023 г.) Процитировать эту статью

20 тысяч доступов

194 Альтметрика

Подробности о метриках

У всех видов рибосомы синтезируют белки путем точного декодирования нуклеотидных последовательностей информационной РНК (мРНК) с использованием субстратов аминоацил-тРНК. Современные знания о механизме декодирования основаны главным образом на исследованиях бактериальных систем1. Хотя ключевые особенности сохраняются в ходе эволюции2, эукариоты достигают более точного декодирования мРНК, чем бактерии3. У человека изменения в точности декодирования связаны со старением и болезнями и представляют собой потенциальную точку терапевтического вмешательства как при лечении вирусов, так и при лечении рака4,5,6. Здесь мы объединяем методы визуализации одиночных молекул и методы криогенной электронной микроскопии, чтобы изучить молекулярную основу точности человеческих рибосом и показать, что механизм декодирования как кинетически, так и структурно отличается от механизма декодирования у бактерий. Хотя декодирование в целом аналогично у обоих видов, координата реакции движения аминоацил-тРНК на рибосоме человека изменена и процесс идет на порядок медленнее. Эти различия возникают из-за специфичных для эукариот структурных элементов в рибосоме человека и в факторе элонгации эукариотического фактора элонгации 1A (eEF1A), которые вместе координируют точное включение тРНК в каждый кодон мРНК. Отличительная природа и время конформационных изменений внутри рибосомы и eEF1A объясняют, как достигается и потенциально регулируется повышенная точность декодирования у эукариотических видов.

Генетический код, который транслирует мРНК в последовательность белка, устанавливается двухсубъединичной рибосомой — многомегадальтонной сборкой РНК-белок. Основные области больших (LSU) и малых (SSU) рибосомальных субъединиц эволюционно консервативны у разных видов2. Эта консервация отражает повсеместную потребность рибосом быстро и точно взаимодействовать со структурно сходными, но разнообразными последовательностями адапторными молекулами аминоацил-тРНК (аа-тРНК)1. У человека новые методы лечения нацелены на процесс декодирования мРНК для лечения моногенных заболеваний4, вирусных инфекций5 и рака6. Структурные и регуляторные различия между видами также лежат в основе эффективности антибиотиков7.

Обширные биохимические, кинетические и структурные исследования, проведенные в основном на бактериях1,8,9,10,11, показали, что декодирование основано на двухэтапном кинетическом механизме корректуры. У бактерий декодирование начинается с первоначального отбора, при котором аа-тРНК в тройном комплексе с ГТФ и консервативной трехдоменной ГТФазой — термически нестабильной с фактором элонгации (EF-Tu) — отбирают кодон мРНК в аминоацильном сайте (сайт А). ) на ведущем (3'-мРНК) крае рибосомы. Спаривание оснований между кодоном мРНК и стволовой петлей антикодона аа-тРНК (ASL) проверяется с помощью сети рибосомальных РНК (рРНК) и взаимодействий белков внутри сайта SSU A, известного как центр декодирования. Узнавание родственной аа-тРНК замыкает плечевой домен SSU по отношению к доменам тела и головы SSU. Последующее тройное комплексное вовлечение LSU-GTPase-активирующего центра (GAC), включая каталитическую сарцин-рициновую петлю12 (SRL), вызывает перестройки в GTPase, включая ремоделирование переключателя-I и переключателя-II, которые запускают гидролиз GTP8,12,13 ,14.

Гидролиз GTP инициирует второй отбор корректуры, во время которого ремоделирование GTPase обеспечивает размещение конъюгированного с аминокислотой 3'-CCA-конца аа-тРНК в пептидилтрансферазном центре LSU (PTC). Там образование пептидной связи переносит возникающую пептидную цепь от тРНК внутри сайта связывания пептидил-тРНК (P-сайт) к аа-тРНК. Образование пептидной связи прекращает декодирование, создавая претранслокационный комплекс (PRE). Точность декодирования устанавливается путем преимущественного отклонения неправильных аа-тРНК во время первоначального отбора перед гидролизом GTP и снова во время корректурного отбора перед образованием пептидной связи.

Структурные снимки рибосом млекопитающих, выделенных из клеточных экстрактов, а также недавние томографические исследования предоставили революционное понимание механистических различий трансляции у млекопитающих15,16,17. Хотя эукариотический гомолог EF-Tu, eEF1A и рибосома претерпевают крупномасштабные конформационные изменения, рибосомы млекопитающих подвергаются процессу «переворачивания» субъединиц, который у бактерий отсутствует15,18. Роль и время этих конформационных событий у человека, а также то, как специфичные для эукариот особенности декодирования способствуют точности, в настоящее время неясны.