WikiDer > Рибосомный сдвиг рамки

Ribosomal frameshift

Рибосомный сдвиг рамки, также известный как трансляционная смена кадров или же переводческое кодирование, это биологический феномен, возникающий во время перевод что приводит к созданию множества уникальных белки с одного мРНК.[1] Процесс может быть запрограммирован нуклеотидной последовательностью мРНК и иногда зависит от вторичная 3-мерная структура мРНК.[2] Он был описан в основном в вирусы (особенно ретровирусы), ретротранспозоны и бактериальные вставные элементы, а также в некоторых клеточных генах.[3]

Обзор процесса

Белки транслируются путем считывания тринуклеотидов на цепи мРНК, также известной как кодоны, с одного конца мРНК к другому (от конца 5 'до конца 3'). Каждый кодон переводится в единый аминокислота. Следовательно, сдвиг любого числа нуклеотидов, которое не делится на 3 в рамке считывания, приведет к тому, что последующие кодоны будут считываться по-разному.[4] Это эффективно изменяет рибосомный рамка чтения.

Пример предложения

В этом примере следующее предложение со словами из трех букв имеет смысл при чтении с начала:

| Начало |ТОН КОШКА И ЧЕЛОВЕК ЖИРЫ ... | Начало | 123 123 123 123 123 123 123 ...

Однако, если рамка считывания сдвинута на одну букву между Т и H первого слова (фактически сдвиг кадра +1, если рассматривать позицию 0 как начальную позицию Т),

Т| Начало | HEC ATA NDT HEM ANA REF AT ...- | Начало | 123 123 123 123 123 123 123 12 ...

тогда предложение читается иначе, не имея смысла.

Пример ДНК

В этом примере следующая последовательность является областью митохондриальный геном человека с двумя перекрывающиеся гены MT-ATP8 и MT-ATP6.При чтении с самого начала эти кодоны имеют смысл для рибосомы и могут быть переведены в аминокислоты (AA) под митохондриальный код позвоночных:

| Начало |АAC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ... | Начало | 123 123 123 123 123 123 123 123 ... | AA | Н Е Н Л Ф А С ...

Однако давайте изменим рамку считывания, начав один нуклеотид ниже по течению (фактически "сдвиг рамки +1", если рассматривать положение 0 как начальное положение А):

А| Начало | ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA ...- | Начало | 123 123 123 123 123 123 12 ... | AA | Т К И С Л ...

Теперь из-за сдвига кадра на +1 последовательность ДНК читается по-другому. Следовательно, разные рамки считывания кодонов дают разные аминокислоты.

В случае трансляции рибосомы сдвиг рамки может привести к ерунда (преждевременный стоп-кодон) после сдвига рамки считывания или создание полностью нового белка после сдвига рамки. В случае, когда сдвиг кадра приводит к чепухе, NMD (нонсенс-опосредованный распад мРНК) путь может разрушить транскрипт мРНК, поэтому сдвиг рамки может служить методом регулирования уровня экспрессии связанного гена.[5]

Функция

В вирусах это явление может быть запрограммировано на то, чтобы возникать в определенных местах, и позволяет вирусу кодировать несколько типов белков из одной и той же мРНК. Известные примеры включают ВИЧ-1 (Вирус иммунодефицита человека),[6] RSV (Вирус саркомы Рауса)[7] и грипп вирус (грипп),[8] которые все полагаются на сдвиг кадра для создания надлежащего соотношения белков с нулевым кадром (нормальная трансляция) и «транскадрового» (кодируется последовательностью со сдвигом кадра). Его использование в вирусах в первую очередь для уплотнения большего количества генетический информацию в меньший объем генетического материала.

У эукариот он, по-видимому, играет роль в регуляции уровней экспрессии генов, генерируя преждевременные остановки и производя нефункциональные транскрипты.[3][9]

Виды смены кадров

Самый распространенный тип смещения кадра - это −1 сдвиг кадра или же запрограммированный -1 рибосомный сдвиг рамки (-1 PRF). Другие, более редкие типы сдвига кадра включают сдвиг кадра +1 и -2.[2] Считается, что сдвиг кадра -1 и +1 управляется разными механизмами, которые обсуждаются ниже. Оба механизма кинетически управляемый.

Запрограммированный -1 рибосомный сдвиг рамки

Тандемное проскальзывание 2 тРНК на скользкой последовательности вируса саркомы Рауса. После сдвига рамки считывания новые пары оснований правильны в первом и втором нуклеотидах, но неверны в положении вобуляции. E, п, и А указаны участки рибосомы. Расположение растущей полипептидной цепи не указано на изображении, поскольку еще не существует единого мнения о том, происходит ли проскальзывание -1 до или после того, как полипептид переносится с тРНК P-сайта на тРНК A-сайта (в данном случае от тРНК Asn к тРНК Leu тРНК).[7]

При сдвиге -1 кадра рибосома сдвигается на один нуклеотид назад и продолжает трансляцию в кадре -1. Обычно есть три элемента, которые составляют сигнал сдвига кадра -1: скользкая последовательность, спейсерная область и Вторичная структура РНК. Скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYZ, где XXX - любые три идентичных нуклеотида (хотя бывают некоторые исключения), YYY обычно представляет UUU или AAA, а Z - A, C или U. Поскольку структура этого мотива содержит 2 смежных 3-нуклеотида. Повторы полагают, что сдвиг рамки -1 описывается тандемной моделью проскальзывания, в которой рибосомный антикодон тРНК P-сайта восстанавливает пары с XXY на XXX, а антикодон A-сайта одновременно восстанавливает пары с YYZ на YYY. Эти новые пары идентичны парам с нулевым кадром, за исключением их третьих позиций. Это различие не оказывает существенного неблагоприятного воздействия на связывание антикодона, поскольку третий нуклеотид в кодоне, известный как положение колебания, имеет более слабую антикодонную специфичность связывания тРНК, чем первый и второй нуклеотиды.[2][10] В этой модели структура мотива объясняется тем фактом, что первая и вторая позиции антикодонов должны иметь возможность идеально сочетаться как в 0, так и в -1 кадрах. Следовательно, нуклеотиды 2 и 1 должны быть идентичными, и нуклеотиды 3 и 2 также должны быть идентичными, что приводит к требуемой последовательности из 3 идентичных нуклеотидов для каждой скользящей тРНК.[11]

+1 рибосомальный сдвиг рамки

+1 сдвиг рамки считывания происходит, когда рибосома и тРНК Р-сайта останавливаются в ожидании прибытия редкой аргининовой тРНК. Кодон A-сайта в новой рамке спаривается с антикодоном более распространенной тРНК глицина, и трансляция продолжается.[12]

Скользкая последовательность для сигнала сдвига рамки +1 не имеет такого же мотива, и вместо этого, похоже, функционирует путем приостановки рибосомы в последовательности, кодирующей редкую аминокислоту.[12] Рибосомы не транслируют белки с постоянной скоростью, независимо от последовательности. Для перевода некоторых кодонов требуется больше времени, потому что нет равных количеств тРНК этого конкретного кодона в цитозоль.[13] Из-за этого запаздывания существуют небольшие участки последовательностей кодонов, которые контролируют скорость сдвига рамки рибосом. В частности, рибосома должна сделать паузу, чтобы дождаться прибытия редкой тРНК, и это увеличивает кинетическую благоприятность рибосомы и связанной с ней тРНК, скользящей в новый каркас.[12][14] В этой модели изменение рамки считывания вызвано одним проскальзыванием тРНК, а не двумя.

Механизмы управления

Рибосомный сдвиг рамки может контролироваться механизмами, обнаруженными в последовательности мРНК (цис-действие). Обычно это относится к скользкой последовательности, вторичной структуре РНК или к тому и другому. Сигнал сдвига рамки -1 состоит из обоих элементов, разделенных спейсерной областью, обычно длиной 5–9 нуклеотидов.[2] Сдвиг рамки может также быть вызван другими молекулами, которые взаимодействуют с рибосомой или мРНК (транс-действующие).

Элементы сигнала сдвига кадра

Это графическое представление сигнала сдвига рамки HIV1. Сдвиг кадра -1 в области скользкой последовательности приводит к трансляции pol вместо кляп белок-кодирующая область или открытая рамка считывания (ORF). Белки gag и pol необходимы для обратной транскриптазы, которая важна для репликации ВИЧ1.[6]

Скользкая последовательность

Скользкие последовательности потенциально может заставить считывающую рибосому "проскользнуть" и пропустить ряд нуклеотиды (обычно только 1) и после этого прочтите совершенно другой кадр. В запрограммированном рибосомном сдвиге кадра -1 скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYZ, где XXX - любые три идентичных нуклеотида (хотя бывают некоторые исключения), YYY обычно представляет UUU или AAA, а Z - A, C или U. В случае + 1 со сдвигом рамки считывания скользкая последовательность содержит кодоны, для которых соответствующая тРНК встречается реже, и сдвиг рамки считывания предпочтителен, потому что кодон в новой рамке имеет более общую связанную тРНК.[12] Один из примеров скользкой последовательности - это полиА на мРНК, которая, как известно, вызывает проскальзывание рибосом даже в отсутствие каких-либо других элементов.[15]

Вторичная структура РНК

Эффективный сдвиг рамки рибосом обычно требует присутствия вторичной структуры РНК для усиления эффектов скользкой последовательности.[11] Структура РНК (которая может быть стебель-петля или же псевдоузел), как полагают, приостанавливает рибосому на скользком участке во время трансляции, вынуждая ее перемещаться и продолжать репликацию с позиции -1. Считается, что это происходит из-за того, что структура физически блокирует движение рибосомы, застревая в туннеле мРНК рибосомы.[2] Эта модель подтверждается тем фактом, что сила псевдоузла положительно коррелировала с уровнем сдвига рамки для ассоциированной мРНК.[3][16]

Ниже приведены примеры прогнозируемых вторичных структур для элементов сдвига рамки, показанных для стимуляции сдвига рамки у различных организмов. Большинство показанных структур представляют собой стержневые петли, за исключением структуры псевдоузла ALIL (апикальная петля-внутренняя петля). На этих изображениях большие и неполные кружки мРНК представляют линейные области. Вторичные структуры «стебель-петля», где «стебли» образованы областью спаривания оснований мРНК с другой областью на той же цепи, показаны выступающими из линейной ДНК. Линейная область сигнала сдвига рамки считывания рибосом ВИЧ содержит высококонсервативную скользящую последовательность UUU UUU A; многие из других предсказанных структур также содержат кандидатов на скользкие последовательности.

Последовательности мРНК на изображениях можно считывать в соответствии с набором рекомендаций. Хотя A, T, C и G обозначают конкретный нуклеотид в позиции, есть также буквы, которые обозначают неоднозначность, которые используются, когда в этом положении может встречаться более одного вида нуклеотидов. Правила Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) являются следующими:[17]

Символ[17]ОписаниеПредставленные базыДополнение
ААDenineА1Т
CCиттозинCграмм
граммграммуанинграммC
ТТгиминТА
UUрасилUА
WWEakАТ2W
SSсильныйCграммS
MаMя неАCK
KKэтограммТM
рпуринеАграммY
YпYримидинCТр
Bне А (B идет после A)CграммТ3V
Dне C (D идет после C)АграммТЧАС
ЧАСне G (ЧАС идет после G)АCТD
Vне Т (V идет после T и U)АCграммB
Nлюбой Nуклеотид (не пробел)АCграммТ4N
ZZэро0Z

Эти символы также действительны для РНК, за исключением того, что U (урацил) заменяет T (тимин).[17]

Элементы Frameshift
ТипРаспределениеRef.
Псевдоузел ALILБактерии[18]
Элемент стимуляции сдвига рамки считывания антизимной РНКБеспозвоночные[19]
Элемент стимуляции сдвига кадра коронавирусаКоронавирус[20]
Рибосомальный элемент сдвига рамки DnaXЭукариоты, бактерии[21]
Сигнал сдвига рамки рибосомы ВИЧВирусы
Последовательность вставки рибосомного элемента сдвига рамки IS1222Эукариоты, бактерии
Рибосомный сдвиг рамкиВирусы

Транс-действующие элементы

Было обнаружено, что малые молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют уровни сдвига рамки. Например, механизм отрицательной обратной связи в полиамин Путь синтеза основан на уровнях полиаминов, стимулирующих увеличение сдвига рамки на +1, что приводит к выработке ингибирующего фермента. Также было показано, что некоторые белки, которые необходимы для распознавания кодонов или которые связываются непосредственно с последовательностью мРНК, модулируют уровни сдвига рамки считывания. МикроРНК Молекулы (miRNA) могут гибридизоваться со вторичной структурой РНК и влиять на ее прочность.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аткинс Дж. Ф., Лофран Дж., Бхатт П. Р., Ферт А. Э., Баранов П. В. (сентябрь 2016 г.). «Рибосомный сдвиг рамки и проскальзывание транскрипции: от генетической стеганографии и криптографии до случайного использования». Исследования нуклеиновых кислот. 44 (15): 7007–7078. Дои:10.1093 / нар / gkw530. ЧВК 5009743. PMID 27436286.
  2. ^ а б c d е Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE (июнь 2017 г.). «Белок-направленное изменение рамки считывания рибосом во времени регулирует экспрессию генов». Nature Communications. 8: 15582. Bibcode:2017НатКо ... 815582N. Дои:10.1038 / ncomms15582. ЧВК 5472766. PMID 28593994.
  3. ^ а б c Кеттелер Р (2012). «О запрограммированном сдвиге рамки считывания рибосом: альтернативные протеомы». Границы генетики. 3: 242. Дои:10.3389 / fgene.2012.00242. ЧВК 3500957. PMID 23181069.
  4. ^ Иванов И.П., Аткинс Дж.Ф. (2007). «Рибосомный сдвиг рамки при декодировании антизимных мРНК от дрожжей и простейших до людей: около 300 случаев демонстрируют замечательное разнообразие, несмотря на лежащую в основе консервацию». Исследования нуклеиновых кислот. 35 (6): 1842–1858. Дои:10.1093 / нар / гкм035. ЧВК 1874602. PMID 17332016.
  5. ^ а б Девер Т.Э., Динман Дж. Д., Грин Р. (август 2018 г.). «Удлинение трансляции и перекодирование у эукариот». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 10 (8): a032649. Дои:10.1101 / cshperspect.a032649. ЧВК 6071482. PMID 29610120.
  6. ^ а б Jacks T., Power MD, Masiarz FR, Luciw PA, Barr PJ, Varmus HE (январь 1988 г.). «Характеристика рибосомного сдвига рамки в экспрессии gag-pol ВИЧ-1». Природа. 331 (6153): 280–283. Bibcode:1988Натура.331..280J. Дои:10.1038 / 331280a0. PMID 2447506.
  7. ^ а б Джекс Т., Мадхани HD, Масиарз FR, Вармус Х.Э. (ноябрь 1988 г.). «Сигналы для рибосомного сдвига рамки в области gag-pol вируса саркомы Рауса». Клетка. 55 (3): 447–458. Дои:10.1016/0092-8674(88)90031-1. ЧВК 7133365. PMID 2846182.
  8. ^ Джаггер Б.В., Мудрый Х.М., Каш Дж. К., Уолтерс К. А., Уиллс Н. М., Сяо Ю. Л., Данфи Р. Л., Шварцман Л. М., Озинский А., Белл Г. Л., Далтон Р. М., Ло А., Эфстатиу С., Аткинс Дж. Ф., Ферт А. Е., Таубенбергер Дж. К., Дигард П. (Июль 2012 г.). «Перекрывающаяся кодирующая белок область в сегменте 3 вируса гриппа А модулирует ответ хозяина». Наука. 337 (6091): 199–204. Bibcode:2012Sci ... 337..199J. Дои:10.1126 / science.1222213. ЧВК 3552242. PMID 22745253.
  9. ^ Адвани В.М., Динман Д.Д. (январь 2016 г.). «Перепрограммирование генетического кода: новая роль рибосомного сдвига рамки считывания в регуляции экспрессии клеточных генов». BioEssays. 38 (1): 21–26. Дои:10.1002 / bies.201500131. ЧВК 4749135. PMID 26661048.
  10. ^ Крик Ф.Х. (август 1966 г.). «Спаривание кодона и антикодона: гипотеза колебания». Журнал молекулярной биологии. 19 (2): 548–555. Дои:10.1016 / S0022-2836 (66) 80022-0. PMID 5969078.
  11. ^ а б Бриерли I (август 1995 г.). «Рибосомные вирусные РНК, сдвигающие рамку рамки». Журнал общей вирусологии. 76 (Pt 8) (8): 1885–1892. Дои:10.1099/0022-1317-76-8-1885. PMID 7636469.
  12. ^ а б c d Харгер Дж. У., Мескаускас А., Динман Дж. Д. (сентябрь 2002 г.). «Интегрированная модель» запрограммированного сдвига рамки рибосом ». Тенденции в биохимических науках. 27 (9): 448–454. Дои:10.1016 / S0968-0004 (02) 02149-7. PMID 12217519.
  13. ^ Гурвич О.Л., Баранов П.В., Гестеланд РФ, Аткинс Дж.Ф. (июнь 2005 г.). «Уровни экспрессии влияют на сдвиг рамки рибосом в тандемных редких кодонах аргинина AGG_AGG и AGA_AGA в Escherichia coli». Журнал бактериологии. 187 (12): 4023–4032. Дои:10.1128 / JB.187.12.4023-4032.2005. ЧВК 1151738. PMID 15937165.
  14. ^ Калискан Н., Катунин В.И., Белардинелли Р., Песке Ф., Роднина М.В. (июнь 2014 г.). «Запрограммированный сдвиг кадра −1 путем кинетического разделения во время затрудненной транслокации». Клетка. 157 (7): 1619–1631. Дои:10.1016 / j.cell.2014.04.041. PMID 24949973.
  15. ^ Артур Л., Павлович-Джуранович С., Смит-Кутму К., Грин Р., Щесны П., Джуранович С. (июль 2015 г.). «Контроль трансляции с помощью кодирующих лизин A-богатых последовательностей». Достижения науки. 1 (6): e1500154. Bibcode:2015SciA .... 1E0154A. Дои:10.1126 / sciadv.1500154. ЧВК 4552401. PMID 26322332.
  16. ^ Hansen TM, Reihani SN, Oddershede LB, Sørensen MA (апрель 2007 г.). «Корреляция между механической прочностью псевдоузлов информационной РНК и рибосомным сдвигом рамки». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 104 (14): 5830–5835. Bibcode:2007ПНАС..104.5830Н. Дои:10.1073 / pnas.0608668104. ЧВК 1838403. PMID 17389398.
  17. ^ а б c Номенклатурный комитет Международного союза биохимиков (NC-IUB) (1984). «Номенклатура неполностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот». Получено 4 февраля 2008.
  18. ^ Mazauric MH, Licznar P, Prère MF, Canal I, Fayet O (июль 2008 г.). «Псевдоузлы РНК апикальной петли и внутренней петли: новый тип стимулятора сдвига рамки -1 трансляции у бактерий». Журнал биологической химии. 283 (29): 20421–20432. Дои:10.1074 / jbc.M802829200. PMID 18474594.
  19. ^ Иванов И.П., Андерсон ЦБ, Гестеланд РФ, Аткинс Дж.Ф. (июнь 2004 г.). «Идентификация нового антизимного псевдоузла мРНК +1, изменяющего рамку рамки, в подмножестве различных беспозвоночных и его очевидное отсутствие у промежуточных видов». Журнал молекулярной биологии. 339 (3): 495–504. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.03.082. ЧВК 7125782. PMID 15147837.
  20. ^ Баранов П.В., Хендерсон С.М., Андерсон С.Б., Гестеланд РФ, Аткинс Дж. Ф., Ховард М. Т. (февраль 2005 г.). «Запрограммированный сдвиг рамки рибосом при декодировании генома SARS-CoV». Вирусология. 332 (2): 498–510. Дои:10.1016 / j.virol.2004.11.038. PMID 15680415.
  21. ^ Ларсен Б., Гестеланд РФ, Аткинс Дж. Ф. (август 1997 г.). «Структурное зондирование и мутагенный анализ стебля-петли, необходимого для сдвига рамки рибосомы Escherichia coli dnaX: запрограммированная эффективность 50%». Журнал молекулярной биологии. 271 (1): 47–60. Дои:10.1006 / jmbi.1997.1162. ЧВК 7126992. PMID 9300054.

внешняя ссылка