БИОХИМИЯ, 2011, том 76, вып. 3, с. 349 - 362
УДК 577.217
ФАКТОР ИНИЦИАЦИИ ТРАНСЛЯЦИИ 2 ЭУКАРИОТИЧЕСКОГО ТИПА: СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ
Обзор
© 2011 г. Е.А. Столбоушкина*, М.Б. Гарбер
Учреждение РАН Институт белка РАН, 142290 Пущино Московской обл., ул. Институтская,4; факс: (495)514-0218, электронная почта: esmail@vega.protres.ru
Поступила в редакцию 29.07.10
Фактор инициации трансляции 2 (№2) — один из ключевых компонентов системы инициации трансляции в живых клетках. В бактериях 1Р2 — многодоменный мономерный белок, в клетках эукариот и архей е/а1Р2 — гетеротример (аРу). Собраны данные, включая собственные, по структуре и функционированию фактора инициации трансляции 2 эукариотического типа (е/а1Р2). Приведены также новые данные о факторах инициации е1Р5 и е1Р2В, которые непосредственно взаимодействуют с е1Р2 и контролируют его участие в нук-леотидном обмене.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: инициация трансляции, е/а1Р2, гетеротример, инициаторная метионил-тРНК (Мй-тРНК;), тройной комплекс Ме1-тРНК(е/а1Р20ТР.
У эукариот и архей фактор инициации трансляции 2 (№2) представляет собой гетеро-тримерный белок е/а1Р2аРу, взаимодействующий с вТР и метионил-тРНК; (Ме1:-тРНК;); функционально он аналогичен бактериальному №2. У бактерий №2 является мономерным белком и не имеет гомологии ни с одной субъединицей е/аГР2. Гомологии последовательностей а-, р- и у-субъединиц е/а1Р2 между эукариотами и археями достигают 40—42, 27—30 и 50—57% соответственно. Субъединицы архейного а1Р2 меньше своих эукариотических гомологов (схема).
е/а1Р2 играет ключевую роль в инициации биосинтеза белка. В присутствии вТР фактор е/а1Р2 специфически узнает инициаторную Ме11-тРНК и образует с ней стабильный тройной комплекс Ме1>тРНК;е/а1Р20ТР В такой форме е/а1Р2 доставляет Ме1>тРНК; в Р-участок малой рибосомной субчастицы, где за счет кодон-ан-тикодонового взаимодействия происходит точ-
Принятые сокращения: IF2 — фактор инициации трансляции, а.о. — аминокислотный остаток, дц — двуце-почечная, Рн — неорганический фосфат, NTD — #-конце-вой домен, CTD — С-концевой домен, ВГС — вирус гепатита С, MFC — мультифакторный комплекс.
* Адресат для корреспонденции.
ное узнавание инициирующего кодона на мРНК с последующим гидролизом GTP. В комплексе с GDP фактор инициации трансляции 2 покидает рибосому, после чего происходит обмен связанного GDP на GTP и фактор снова способен образовывать прочный комплекс с Met-тРНК В клетках эукариот eIF2 играет роль тотального регулятора трансляции на стадии инициации. Регуляторная функция eIF2 осуществляется путем фосфорилирования—де-фосфорилирования его а-субъединицы. Большинство стрессов вызывает практически моментальное фосфорилирование а-субъединицы eIF2, что приводит к подавлению инициации трансляции в клетке. В археях роль aIF2 в регуляции трансляции не определена, хотя в них также обнаружена система специфического фосфорилирования а-субъединицы этого фактора [1].
Несмотря на то что еще в 1970-е гг. фактор e/aIF2 стал объектом интенсивного изучения, его структурные исследования начались значительно позднее и существенный прогресс в этих исследованиях был достигнут только в 2000-е гг. Сначала были определены структуры отдельных субъединиц фактора [2—10], затем — структуры гетеродимеров [11, 12] и неполноразмерного ге-
Схема первичных структур субъединиц e/aIF2. N и C — N-концевая а-спираль aIF2ß или N-концевой домен eIF2ß и С-концевые домены e/aIF2ß
теротримера [13]. Структура же полноразмерного гетеротримерного фактора инициации трансляции 2 была впервые определена в нашей лаборатории в 2008 г. [14]. Следует отметить, что почти все структурные исследования проведены для фактора а1Р2 из гипертермофильных архей. Только для а-субъединицы определена структура как из архей, так и из эукариот. Отставание в рентгеноструктурных исследованиях эукарио-тического е1Р2 обусловлено техническими трудностями выделения гомогенных препаратов этого фактора из клеток эукариот, большой сложностью клонирования эукариотических генов и получения суперпродуцентов, а также проблемами, связанными с получением совершенных кристаллов эукариотических белков. Достаточно высокая гомология последовательностей субъединиц архейного и эукариотичес-кого е/а1Р2 позволяет использовать кристаллографические структуры а1Б2 в его различных состояниях для анализа многочисленных биохимических данных по функционированию эукарио-тического е1Б2, что вносит существенный вклад в наше понимание того, как происходит инициация белкового синтеза у архей и эукариот.
ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МОЛЕКУЛЫ ГЕТЕРОТРИМЕРНОГО aIF2
Общими очертаниями молекула aIF2 напоминает английскую букву «L», длинное плечо которой образовано а-субъединицей, короткое — ß-субъединицей, а угол — у-субъединицей [14] (рис. 1). Субъединицы а и ß между собой не контактируют. а-Субъединица aIF2 состоит из трех доменов. Домены I (ОВ-укладка с топологией «греческого» ключа) и II (пучок из пяти а-спиралей) представляют собой компактную «жесткую» структуру. В свою очередь, этот «жесткий» блок и домен III (аß-укладка) обладают высокой подвижностью один относительно другого. Между тяжами ß3 и ß4 домена I расположена длинная подвижная петля, концы которой фланкированы 310-спиралями. В эукарио-тическом белке эта петля высококонсервативна и содержит инвариантный остаток Ser51 — сайт фосфорилирования для целого ряда сериновых протеинкиназ, которые активируются в клетке в ответ на стрессовые условия [15—20]. Взаимодействие е№2а с такими протеинкиназами приводит к конформационным изменениям в бел-
Рис. 1. Пространственная структура гетеротримерного aIF2 Sulfolobus solfataricus
ке: петля Р1—Р2 и С-конец тяжа р3 а-субъедини-цы сдвигаются на 1,6 А и 1,8 А соответственно [21]. При этом разворачиваются 310-спирали, замыкающие петлю р3—р4, и происходит фосфо-рилирование Ser51. Фосфорилирование а-субъ-единицы eIF2 по этому остатку приводит к ин-гибированию биосинтеза белка. В отличие от эукариот у архей имеются два инвариантых остатка серина, расположенных в позициях 44 и 48, которые потенциально могут фосфорилиро-ваться. В опытах in vitro было показано, что Ser48 в а№2 фосфорилируется эукариотической дцРНК-зависимой киназой PKR, активируемой при вирусной инфекции, а также архейным гомологом этого белка, обозначаемым как Ph0512p [1]. Пространственно Ser48 занимает в молекуле aIF2a то же место, в котором в эукариотической a-субъединице расположен Ser51. Не исключено, что подобная регуляция трансляции через фосфорилирование—дефосфорилирование а-субъ-единицы может существовать и в археях.
Отличительной чертой а-субъединицы эука-риот является наличие подвижного кислого С-концевого «хвоста», образованного короткой а-спиралью с продолжительной неупорядоченной областью длиной 30—40 а.о. (в случае а-субъединицы Drosophila melanogaster длина достигает
60 а.о.). Функциональная роль этого «дополнения» не ясна, но имеются сообщения, что С-концевой «хвост» е1Б2а содержит сайт расщепления для каспаз [22, 23].
Р-Субъединицу а1Б2 можно тоже структурно поделить на три части. Это неупорядоченная N концевая часть, которая приобретает конфор-мацию а-спирали, находясь в комплексе с у-субъединицей [11, 13, 14], и два структурно-независимых домена: центральный (антипараллельный р-лист, по одну сторону от которого располагаются три а-спирали) и С-концевой (антипараллельный р-лист). ^Концевая а-спираль связана с центральным доменом гибкой перемычкой, а центральный и С-концевой домены, в свою очередь, соединены длинной а4-спиралью. С-Концевой или цинксвязывающий домен содержит высококонсервативный и функционально важный мотив СХ2СХ17/19СХ2С, мутации в котором приводят к значительным дефектам в работе е1Б2 [24—26]. С двумя парами этих остатков цистеина координационно связан атом цинка, участвующий в поддержании пространственной структуры С-концевого домена [2, 4]. Архейная р-субъединица почти в 2 раза меньше по размеру и гомологична С-кон-цевой части эукариотической р-субъединицы. Характерный для эукариот ^концевой домен Р-субъединицы вариабелен по длине и аминокислотному составу и содержит три полилизи-новых блока (длина каждого 6—8 лизиновых остатков), расположенных на значительном расстоянии один от другого. Показано, что эти по-лилизиновые повторы необходимы для взаимодействия е1Б2 с мРНК [27], е№2В [28] и е№5 [29].
Центральная субъединица е/а1Б2у является рибосомозависимой ОТРазой и по своей структуре относится к семейству факторов элонгации ЕБ1А (прежнее название — ЕБ-Ти) и е/аЕБ1А, катализирующих кодонзависимое связывание аминоацил-тРНК с А-участком рибосомы. у-Субъединица представляет собой трехдоменный белок, в котором домены II и III (антипараллельные р-листы) образуют единый структурный блок, связанный с О-доменом (Р-лист, окруженный а-спиралями) гибкой перемычкой. Отличительной чертой О-домена у-субъедини-цы е/а№2 является наличие жизненно важного цинксвязывающего модуля — «цинковой ленты» (петля р2—р3), образующей выступ между доменами I и II. Было показано, что отсутствие цинка не нарушает структуру «цинковой ленты» [13]. У эукариот этот цинксвязывающий модуль несколько длиннее, чем у архей, а четыре цисте-иновых остатка не являются строго консервативными. Отметим, что в е!Б2у дрожжей на N
конце имеется вариабельный «хвост» длиной от 12 (Saccharomycespombe) до 89 а.о. (S. cerevisiae), делеция которого не влияет на активность белка, тогда как точечные мутации в этой области приводят к снижению скорости роста клеток
[30].
В G-домене e/aIF2y расположены функционально важные петли-переключатели switchl и switch2 и нуклеотидсвязывающий «карман», сформированный из характерных для GTP-свя-зывающих белков консервативных мотивов DAPG, NKIE, SALH, GHVDHGKT. Известно, что в структуре EF1A при переходе из GTP- в GDP-связанное состояние происходит существенный сдвиг доменов II и III относительно домена G и одновременно с этим происходят скоординированные конформационные изменения в петлях-переключателях switchl и switch2. При этом switch-участки переходят из конформации «ON» в конформацию «OFF», а «тело» самого белка EF1A — из акт
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.