МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 5, с. 914-925
РИБОНУКЛЕОПРОТЕИДЫ: ^^^^^^
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ И ФУНКЦИЯ
УДК 576.85.48
Транс-ТРАНСЛЯЦИЯ: ОСНОВНЫЕ УЧАСТНИКИ И РОЛЬ В ЖИЗНИ КЛЕТКИ
© 2004 г. О. В. Шпанченко*, П. В. Иванов, М. Э. Зверева, А. А. Богданов, О. А. Донцова
Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119992
Поступила в редакцию 30.09.2003 г.
Транс-трансляция - уникальный процесс синтеза одной полипептидной цепи с использованием и мРНК, и матричного района тмРНК - необходим для успешной жизнедеятельности клетки в изменяющихся условиях внешней среды. В обзоре рассмотрены новые данные об основных участниках транс-трансляции, условиях, необходимых для ее включения, и последствиях ее работы в клетке. Высказано предположение о роли тмРНК в контроле "качества" трансляции.
Ключевые слова: тмРНК, 10Sa РНК, ssrA, рибосома, транс-трансляция, биосинтез белка, термина-ция трансляции, прокариоты.
Trans-TRANSLATION: MAIN PARTICIPANTS AND ROLE IN THE CELL LIFE, by O. V. Shpanchenko, P. V. Ivanov, M. I. Zvereva, A. A. Bogdanov, O. A. Dontsova (Department of Chemistry, Moscow State University, Moscow 119992, Russia; *E-mail: olgash@genebee.msu.su). Trans-translation, the unique process of the synthesis of the single polipeptide chain from both mRNA and the coding part of tmRNA, is necessary for the cell viability in the changeable environment. The new data concerning the main participants and physiological role of trans-translation and the conditions in which it occurs are summarized. The possible tmRNA function in the translation quality control is also discussed.
Транс-трансляция (т.е. переход рибосомы при синтезе одной полипептидной цепи с мРНК на матричную часть тмРНК) - уникальный процесс, вовлеченный во многие события, протекающие в клетке. Процесс транс-трансляции был открыт в 1995 г. при сверхэкспрессии гена интерлейкина-6 мыши в клетках Escherichia coli [1]. Оказалось, что помимо полноразмерного белка в клетках накапливаются две его укороченные формы. N-концевая часть коротких белков соответствует аминокислотной последовательности интерлейкина-6, а на C-конце находится пептид (tag-пептид) из 11 аминокислотных остатков, 10 из которых кодируются потенциальной ОРС молекулы 10Sa РНК.
При повышенной экспрессии гена интерлейкина-6 в клетках E. coli с инактивированным геном ssrA также накапливаются укороченные белки, однако они не содержат tag-пептид на С-кон-це. Поскольку химерные молекулы РНК, кодирующие одновременно интерлейкин-6 и tag-пептид, обнаружить не удалось [1], предположили, что химерный белок образуется в ходе какого-то неизвестного процесса. Годом позже этот процесс получил название транс-трансляция [2],
Принятые сокращения: тмРНК - транспортно-матричная РНК, ОРС - открытая рамка считывания, ЕР-Ти - фактор элонгации трансляции Ти.
* Эл. почта: olgash@genebee.msu.su
и была предложена его модель (рис. 1) [3]. Алани-лированная 10Sa РНК (продукт гена ssrA) узнает рибосомы, остановившиеся на 3'-конце мРНК, лишенных стоп-кодона ("арестованные" рибосомы), и, переключая трансляцию на собственную кодирующую область, позволяет рибосомам прекращать трансляцию на стоп-кодоне, завершающем ОРС. Синтезированные в ходе этого процесса химерные белки, несущие на С-конце сигнал узнавания для некоторых клеточных протеаз (tag-пептид), быстро деградируют в клетке [4].
Открытие транс-трансляции стимулировало активное изучение ее основного участника - 10Sa РНК (SsrA-РнК) - малой стабильной РНК, обладающей свойствами как мРНК, так и тРНК, впервые обнаруженной в клетках E. coli в 1978 г. [5]. Уникальное сочетание в одной молекуле свойств как тРНК, так и мРНК, спровоцировало переименование 10Sa РНК в транспортно-матричную РНК (тмРНК) [6]. К настоящему моменту полностью расшифрованы геномы многих эубактерий, и во всех обнаружен ген тмРНК. Геномы ряда ор-ганелл также содержат ген тмРНК [7]. На 12 сентября 2003 г. известна нуклеотидная последовательность 338 тмРНК из 285 видов.
На начальном этапе исследований шло накопление информации о нуклеотидной последовательности тмРНК из различных источников, что позволило на основе филогенетического анализа создать модель ее вторичной структуры. Одно-
N
N
5'
f* о1
III
N
UAA
N
IV
UAA
а
i
Рибосома
А-участок Р-участок
gca
\ #
uaa
мРНК тРНК
V; Растущий пептид
А
tag-пептид Аланил-тмРНК
E-участок gca — uaa мРНК tag-пептида
О
Фактор терминации
Рис. 1. Схематическое изображение процесса транс-трансляции. I - Рибосома останавливается на З'-конце оборванной мРНК; II - аланил-тмРНК входит в А-участок рибосомы; III - после переноса растущего пептида на аланил-тмРНК и транслокации мРНК-подобная область тмРНК замещает поврежденную мРНК, соответствующая амино-ацилированная тРНК входит в А-участок рибосомы; IV - фактор терминации узнает стоп-кодон, завершающий кодирующую область тмРНК.
временно с этим другой группой исследователей была предложена аналогичная модель, построенная в результате исследования доступности нук-леотидов тмРНК E. coli действию различных химических агентов и РНКаз. В эти же годы изучили процесс созревания тмРНК в клетке, показали аминоацилирование тмРНК аланил-тРНК-синте-тазой in vivo и in vitro и взаимодействие тмРНК с EF-Tu, идентифицировали протеазы, расщепляющие tag-пептид в различных клеточных компарт-ментах. Данные, полученные в этих работах, суммированы в обзорах [8-11].
За последнее время появились новые сведения о важности тмРНК для жизнедеятельности клет-
ки, были найдены новые партнеры, взаимодействующие с тмРНК в ходе ее функционирования, расширен круг причин, приводящих к включению процесса транс-трансляции. Методом криоэлек-тронной микроскопии определена пространственная структура преинициаторного комплекса тмРНК с рибосомой. Обобщению этих сведений и посвящен наш обзор.
СТРУКТУРА тмРНК
Модель вторичной структуры молекулы тмРНК представлена на рис. 2. Традиционно в ней выделяют два функциональных района - тРНК-
Рис. 2. Модель вторичной структуры тмРНК E. coli, основанная на сравнительном филогенетическом анализе. Направление цепи обозначено от 5'- к З'-концу молекулы. Звездочкой отмечено начало транслируемого района в тмРНК, черный треугольник - стоп-кодон в рамке считывания. Аминокислотная последовательность кодируемого тмРНК пептида записана с помощью однобуквенного кода. рК1-рК4 - псевдоузлы.
A3'
U G G А U
10 си иА
С
G —С G о и G — С С —G U —А G — С
360
3§0 CGCCC
Mill
GCGGG
ucga 20
2а
С —G G —С G о U G о U A —U U —А U —А U о G
G •330
12340'
Ч'С д
А С
ги4'
тмРНК (Escherichia coli)
РЦ
ST
210 8b С •
СС GA
I I о |
GC CUG G G GU U I I I I I о "
CGGAC U д и #A
240
30#c
G
2b
G
A U
A-U
С A С — G C —G
• 320
A U G U
290* A A
G о U1Ö9 A-U #250 A 280» A —U С -G
G 0 u илL
i?iy10b
270
U —A С —G
G о и
А 2з
g=g.10c
pk4
•C — G G-C '
С — G 11 Ь
ШС^Ш
100
AAACGACGAA
AND E NYALAA
подобную и матричную части, а также соединяющую их сильно структурированную область. Детальное описание особенностей строения элементов вторичной структуры молекулы тмРНК можно найти в обзоре [8]. Как и в молекуле тмРНК E. coli, в большинстве тмРНК соединяющая область формируется из четырех псевдоузлов. Однако некоторые тмРНК лишены одного (в тмРНК Mycoplasma genitalium, M. pneumonia отсутствует псевдоузел 1) или трех псевдоузлов (в
тмРНК пластид нет псевдоузлов 2-4) [12]. Опыты, проведенные in vitro, показали, что в молекуле тмРНК E. coli псевдоузлы 2-4 взаимозаменяемы [13]. Более того, замещение этих псевдоузлов одноцепочечными участками не сказывается на аминоацилировании и активности тмРНК в бесклеточной системе транс-трансляции.
Некоторые организмы содержат тмРНК, состоящую из двух сегментов [14], что усложнило поиск гена тмРНК в а-протобактерии Rickettsia
prowazekii. Оказалось, что нуклеотидные последовательности, кодирующие 3'- и 5'-концевые сегменты молекулы, расположены в геноме в обратной ориентации. Сейчас известно пять тмРНК из двух частей [7].
Поскольку из-за больших размеров тмРНК изучение пространственной организации целой молекулы затруднено, некоторые исследователи сосредоточили свои усилия на ее фрагментах. Используя разные методы (УФ-сшивание, мутагенез и изучение двулучепреломления молекул, ориентированных в электрическом поле), для 3'-и 5'-концевых фрагментов молекулы тмРНК подтвердили тРНК-подобную структуру [15-17]. А с помощью ядерного магнитного резонанса и мутагенеза обнаружили псевдоузел 1 [18, 19], по крайней мере, в тмРНК E. coli.
Одной из основных проблем, связанных со структурной организацией тмРНК, остается вопрос о том, как сильно структурированная молекула может проходить через рибосому при транс-трансляции. Хотя для детального описания этого процесса экспериментальных данных пока недостаточно, нами на основании результатов фотоаффинного химического сшивания и сайт-направленного мутагенеза предложена его гипотетическая схема (рис. 3), согласно которой молекула тмРНК состоит из двух доменов, соединенных между собой мРНК-подобной частью и псевдоузлом 4 (рис. 3а). В ходе транс-трансляции эти домены не подвергаются значительным структурным перестройкам, происходит лишь разворачивание мРНК-подобной части и поворот псевдоузла 1 (рис. 36, в.) [20].
Структура комплекса тмРНК с рибосомой Thermus thermophilus на стадии, предшествующей аккомодации тРНК-подобной части тмРНК в А-участке рибосомы, установлена с разрешением —13—15 А с помощью криоэлектронной микроскопии [21] (рис. 4). Показано, что тРНК-подобный домен тмРНК взаимодействует с СГРазным центром 50S субчастицы и с белком S12 30S субчастицы так же, как и каноническая тРНК во время элонгационного цикла [22, 23]. Псевдоузлы 2-4 и спираль 5 образуют своего рода арку снаружи от головы 30S субчастицы без формирования интенсивных контактов с ней. Несмотря на отсутствие подобных контактов, существование псевдоузлов подразумевает их участие в позиционировании мРНК- и тРНК-подобной частей тмРНК. В целом, полученная структура не противоречит предложенной нами модели прохожде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.