МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2010, том 44, № 4, с. 563-572
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.217.348
Транс-ТРАНСЛЯЦИЯ: ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ © 2010 г. О. В. Шпанченко1*, Е. Ю. Бугаева2**, А. В. Головин3, О. А. Донцова1, 2
1Химический факультет Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, Москва, 119991 2Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, 119991 3Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, Москва, 119991 Поступила в редакцию 01.02.2010 г.
Принята к печати 15.02.2010 г.
Транс--трансляция — уникальный механизм переключения синтеза полипептидной цепи с мРНК на матричную часть тмРНК. Она позволяет, с одной стороны, освободить для новых раундов трансляции рибосомы, заблокированные при трансляции мРНК без стоп-кодона, а с другой, — направить на деградацию проблемную мРНК и синтезированный с нее полипептид. Активность тмРНК необходима для выживания бактерий в неблагоприятных условиях внешней среды, контроля качества трансляции и регуляции некоторых физиологических процессов в клетках. В представленном обзоре рассмотрены новые данные о прохождении различных этапов транс--трансляции. Охарактеризованы особенности взаимодействия тмРНК c белком SmpB и структура рибосомных комплексов на начальных этапах транстрансляции. Обсуждены причины появления свободного А-участка в транслирующих рибосомах, возможные механизмы узнавания "арестованных" рибосом и определения кодона возобновления синтеза пептида. Рассмотрены белки, участвующие в деградации проблемной мРНК и аберрантного пептида.
Ключевые слова: биосинтез белка, рибосома, транс--трансляция, тмРНК Escherichia coli, SmpB.
Trans-TRANSLATION: FACTS AND HYPOTHESIS, by O. V. Shpanchenko1*, E. Y. Bugaeva1, 2, A. V. Golovin3, O. A. Dontsova1 2 ^Department of Chemistry, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia, *e-mail: olgash@genebee.msu.ru; 2Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; 3Department of Bioengineering and Bioinformatics, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia). Trans-translation is a unique process which switches the synthesis of a polypeptide chain encoded by a nonstop messenger RNA to the mRNA-like domain of tmRNA. It is used in bacterial cells for rescuing the ribosomes arrested during translation of nonstop mRNA and directing this mRNA and the product polypeptide for degradation. tmRNA activity is essential for bacterial survival under adverse conditions, quality-control of translation and regulation of certain physiological pathways. This review will focus on recent advances in trans-translation investigation: the details of tmRNA-SmpB interaction and the structure of the early ribosomal complexes will be characterized; the causes for the empty A site appearance in the translating ribo-somes, possible mechanisms of the stalled ribosomes recognition and resume codon determination will be discussed, the proteins degraded nonstop mRNA and tagged peptide will be viewed.
Key words: protein biosynthesis, ribosome, trans-translation, Escherichia coli tmRNA, SmpB.
Транс-трансляция — уникальный механизм переключения синтеза полипептидной цепи с мРНК на матричную область тмРНК. Она позволяет, с одной стороны, освободить для новых раундов трансляции рибосомы, заблокированные при трансляции мРНК без стоп-кодона, а с дру-
гой, — направить на деградацию проблемную мРНК и синтезированный с нее полипептид. На первоначальном этапе исследований полагали, что именно избавление клетки от аберрантных пептидов и возвращение рибосом в пул активных и есть основные задачи транс-трансляции, одна-
Принятые сокращения: тмРНК — транспортно-матричная РНК; TLD — тРНК-подобный домен тмРНК; MLD — мРНК-подобный домен тмРНК; ОРС — открытая рамка считывания; EF-Tu — фактор элонгации трансляции Tu; EF-G — фактор элонгации трансляции G; tag-пептид — пептид, закодированный в ОРС тмРНК. ** Адрес в настоящее время: Gene Center Munich, Department of Chemistry and Biochemistry, Ludwig-Maximilians-Universität München, 81377 Munich, Germany.
* Эл. почта: olgash@genebee.msu.ru
Рибосома
А-, Р-, Е-сайт мРНК
тРНК
тмРНК
мРНК tag-пептида Растущий пептид tag-пептид SmpB
Фактор терминации
Протеаза
РНКаза R
Элонгационный фактор Ти
Неизвестная РНКаза
Рис. 1. Схема процесса транс-трансляции. тмРНК взаимодействует с белком 8шрБ (I), аланилируется (II) и связывается с фактором элонгации Ти (III). Рибосома со свободным А-участком останавливается в ходе трансляции, и неизвестная РНКаза разрезает мРНК (IV), что приводит к появлению рибосомы со свободным А-участком, заблокированной на конце мРНК (V). Аланил-тмРНК входит в А-участок рибосомы (VI) и переключает синтез белка на свою мРНК-подобную область (VII). После нескольких раундов транслокации стоп-кодон, завершающий кодирующую область тмРНК, попадает в А-участок рибосомы, где его узнает фактор терминации (VIII). После терминации рибосома готова к новым раундам трансляции, а синтезированный белок направляется на деградацию (IX).
ко постепенно накапливались данные об участии транс-трансляции в регуляции экспрессии генов.
Ключевой участник транс-трансляции — молекула тмРНК (10Sa РНК, SsrA РНК) - была открыта 30 лет назад [1], однако лишь спустя 18 лет появилась модель транс-трансляции, которая описывает функционирование тмРНК в клетке. В создании этой модели решающую роль сыграли работы Коште et al. [2], Tu et al. [3] и КеПег, Sauer [4], в которых впервые были описаны различные функциональные активности тмРНК. Коште et al. [2] показали, что 3'- и 5'-концы тмРНК могут образовывать вторичную структуру, мимикрирующую акцепторный стебель и Т^С-петлю алани-новой тРНК, а также возможность аминоацили-рования тмРНК in vitro. Оказалось [3], что при экспрессии гена интерлейкина-6 мыши в клетках Escherichia coli синтезируется набор укороченных белков различной длины с одинаковым С-конце-вым пептидом, состоящим из 11 аминокислотных остатков — AANDENYALAA. Последние 10 аминокислот кодируются геном ssrA, а первая аминокислота, аланин, не имеет соответствующего
ей кодона. В штамме с инактивированным геном ssrA химерные белки не синтезировались. Это позволило предположить, что ОРС тмРНК служит матрицей для данного пептида (tag-пептид). Такой же пептид находится на С-конце репрессо-ра С1 фага X и цитохрома b562, которые транслировали in vivo c использованием мРНК без стоп-кодона [5].
Кроме того, оказалось, что С-концевая аминокислотная последовательность пептида, кодируемого тмРНК, YALAA, идентична сигнальной последовательности, узнаваемой периплазматиче-ской протеазой Tsp [5]. Позже были найдены и другие протеазы — ClpXP, ClpAP, HflB (FtsH), способные узнавать этот сигнальный пептид [6—8].
Общепризнанная современная схема транстрансляции приведена на рис. 1.
1. Первый шаг транс-трансляции — аминоаци-лирование тмРНК и ее взаимодействие с белками EF-Tu и SmpB, которые повышают эффективность аминоацилирования и способствуют связыванию тмРНК с рибосомой (стадии I, II, III).
2. Далее тмРНК в комплексе с белковыми факторами входит в свободный А-участок рибосомы (стадия VI).
3. Затем растущий пептид переносится на остаток аланина, которым заряжена тмРНК, вошедшая в А-участок. Рибосома переключается на матричную часть тмРНК, а мРНК покидает рибосому. А1а-тРНКА1а связывается с первым кодоном последовательности, кодирующей tag-пептид (стадия VII), к синтезируемому белку добавляются 10 аминокислотных остатков. Трансляция останавливается на стоп-кодоне, закодированном в тмРНК (стадия VIII).
4. После терминации происходит диссоциация рибосомного комплекса, протеолитическая деградация белка, содержащего на C-конце tag-пептид, и гидролиз мРНК (стадия IX).
Наш обзор логически продолжает более ранние работы [9, 10], и в нем основное внимание уделено результатам, полученным за последние пять лет. Рассмотрены новые данные о прохождении различных этапов транс-трансляции: охарактеризованы особенности взаимодействия тмРНК c белком SmpB и структура рибосомных комплексов на начальных этапах транс-трансляции, обсуждены причины появления свободного А-участка в транслирующих рибосомах, возможные механизмы узнавания "арестованных" рибосом и определения кодона возобновления синтеза пептида, а также белки, участвующие в деградации проблемной мРНК и аберрантного пептида.
АМИНОАЦИЛИРОВАНИЕ тмРНК, ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С БЕЛКАМИ SmpB И EF-Tu, А ТАКЖЕ СВЯЗЫВАНИЕ ЭТОГО КОМПЛЕКСА С РИБОСОМОЙ (РИС. 1, СТАДИИ I-III, VI)
тРНК-подобная часть (TLD, tRNA-like domain) тмРНК идентична аминоакцепторному стеблю и Т¥С-шпильке тРНКА1а. Выделенная из клеток тмРНК может быть аминоацилирована in vitro, как обычная тРНК [2]. Эффективность амино-ацилирования повышается в присутствии дополнительных белковых факторов [11]. EF-Tu защищает аминоацильную связь Ala-тмРНК от спонтанного гидролиза [12], а белок SmpB, вероятно, стабилизирует структуру тмРНК [13], обеспечивая оптимальную для аминоацилирования кон-формацию аминоакцепторного стебля [14].
Использование рентгеноструктурного анализа позволило детально изучить взаимодействие белка SmpB с TLD тмРНК [15, 16]. В целом, структура комплекса, образованного 73-членным олиго-дезоксирибонуклеотидом, содержащим модификации, соответствующие T54 (327) и ¥55 (328) в T-петле тРНК, и белком SmpB Thermus thermophi-lus с удаленным неструктурированным С-кон-
цом, напоминает тРНК с длинной вариабельной петлей (тРНК класса II) [16]. TLD тмРНК подобен акцепторной и Т-петлям тРНК, тогда как SmpB мимикрирует антикодоновый и D-стебли. Хотя ранее предполагалось, что антикодоновому стеблю тРНК соответствует спираль 2a тмРНК [15], убедительно показано, что эта спираль подобна скорее вариабельной петле тРНК [16].
Эксперименты, проведенные в условиях in vitro, показали, что свободная тмРНК Aquifex aeoli-cus в растворе может связать до трех молекул белка SmpB, сайты связывания двух из них находятся вне TLD [17]. Наибольшим сродством (KD = 1.6 ± ± 0.5
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.