Ribosomaalinen kehyksensiirto - Ribosomal frameshift

Ribosomaalinen kehyksensiirto , joka tunnetaan myös nimellä translaatiokehyksen siirto tai translaation uudelleenkoodaus , on biologinen ilmiö, joka esiintyy translaation aikana ja joka johtaa useiden ainutlaatuisten proteiinien tuotantoon yhdestä mRNA: sta . Prosessi voidaan ohjelmoida mRNA: n nukleotidisekvenssin avulla, ja toisinaan se vaikuttaa toissijaiseen, 3-ulotteiseen mRNA-rakenteeseen . Sitä on kuvattu pääasiassa viruksissa (erityisesti retroviruksissa ), retrotransposoneissa ja bakteerien insertioelementteissä sekä myös joissakin solugeeneissä.

Prosessin yleiskatsaus

Proteiinit käännetään lukemalla tri-nukleotideja mRNA-juosteesta, joka tunnetaan myös nimellä kodonit , mRNA: n toisesta päästä toiseen (5 '-3' pää) alkaen aloittamalla aminohappo metioniini (aloitus) kodoni AUG. Jokainen kodoni käännetään yhdeksi aminohapoksi . Itse koodia pidetään rappeutuneena, mikä tarkoittaa, että tietty aminohappo voidaan määrittää useammalla kuin yhdellä kodonilla. Kuitenkin minkä tahansa lukumäärän siirtyminen lukukehyksessä, joka ei jakaudu 3: lla, johtaa seuraavien kodonien lukemiseen eri tavalla. Tämä muuttaa tehokkaasti ribosomaalista lukukehystä .

Esimerkki lauseesta

Tässä esimerkissä seuraava lause, jossa on kolme kirjainta, on järkevää alusta alkaen: 

|Start|THE CAT AND THE MAN ARE FAT ...
|Start|123 123 123 123 123 123 123 ...

Jos lukukehystä kuitenkin siirretään yhdellä kirjaimella ensimmäisen sanan T: n ja H: n väliin (käytännössä +1 kehyksen siirto, kun 0 -asemaa pidetään T: n alkuperäisenä sijaintina ), 

T|Start|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...
-|Start|123 123 123 123 123 123 12...

sitten lause lukee eri tavalla, ei mitään järkeä.

DNA -esimerkki

Tässä esimerkissä seuraava sekvenssi on ihmisen mitokondriogenomin alue, jossa on kaksi päällekkäistä geeniä MT-ATP8 ja MT-ATP6 . Alusta alkaen luettuna nämä kodonit ovat järkeviä ribosomiksi ja ne voidaan muuntaa aminohapoiksi (AA) selkärankaisten mitokondrioiden koodin alla : 

|Start|AAC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...
|Start|123 123 123 123 123 123 123 ...
| AA  | N   E   N   L   F   A   S  ...

Muutetaan kuitenkin lukukehystä aloittamalla yksi nukleotidi alavirtaan (käytännössä "+1 kehyksen siirto", kun 0 -asemaa pidetään A : n alkuasennona ): 

A|Start|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...
-|Start|123 123 123 123 123 123 12...
 | AA  | T   K   I   C   S   L    ...

Nyt tämän +1 kehyksensiirron vuoksi DNA -sekvenssi luetaan eri tavalla. Siksi eri kodonilukukehykset tuottavat erilaisia ​​aminohappoja.

Kääntävän ribosomin tapauksessa kehyksen siirto voi joko johtaa hölynpölyyn (ennenaikainen pysäytyskodoni) kehyksensiirron jälkeen tai luoda kokonaan uuden proteiinin kehyksensiirron jälkeen. Siinä tapauksessa, että kehyksensiirto johtaa hölynpölyyn, NMD ( nonsense-välitteinen mRNA-hajoaminen ) -reitti voi tuhota mRNA-transkriptin, joten kehyksensiirto toimisi menetelmänä siihen liittyvän geenin ilmentymistason säätämiseksi.

Toiminto

Viruksissa tämä ilmiö voidaan ohjelmoida esiintymään tietyissä kohdissa ja sallii viruksen koodata useita proteiinityyppejä samasta mRNA: sta. Merkittäviä esimerkkejä ovat HIV-1 (ihmisen immuunikatovirus), RSV ( Rous-sarkoomavirus ) ja influenssavirus (flunssa), jotka kaikki tukeutuvat kehyksensiirtoon luodakseen oikean 0-kehyksen (normaali käännös) ja "trans-frame" -suhteen (koodattu kehyksensiirtämällä sekvenssillä) proteiineja. Sen käyttö viruksissa on ensisijaisesti enemmän geneettisen tiedon tiivistämistä lyhyemmälle määrälle geneettistä materiaalia.

Eukaryooteilla näyttää olevan rooli geeniekspressiotasojen säätelyssä luomalla ennenaikaisia ​​pysähdyksiä ja tuottamalla ei -toiminnallisia transkripteja.

Kehyksensiirron tyypit

Yleisin kehyksensiirtotyyppi on −1 kehyksensiirto tai ohjelmoitu −1 ribosomaalinen kehyksensiirto (−1 PRF) . Muita harvinaisempia kehyksensiirtotyyppejä ovat +1 ja −2 kehyksensiirto. −1 ja +1 kehyksensiirtoa uskotaan ohjaavan eri mekanismeilla, joita käsitellään alla. Molemmat mekanismit toimivat kineettisesti .

Ohjelmoitu -1 ribosomaalinen kehyksensiirto

2 tRNA: n tandem -liukuminen rous -sarkoomaviruksen liukas sekvenssi. Kehyksensiirron jälkeen uudet emäsparit ovat oikeita ensimmäisessä ja toisessa nukleotidissa, mutta väärin heiluma -asennossa. Ribosomin E- , P- ja A -kohdat on ilmoitettu. Kasvavan polypeptidiketjun sijaintia ei ole ilmoitettu kuvassa, koska ei ole vielä yksimielisyyttä siitä, tapahtuuko −1-liukuminen ennen tai jälkeen polypeptidin siirtämisen P-kohdan tRNA: sta A-kohdan tRNA: han (tässä tapauksessa Asn tRNA: sta Leu: een) tRNA).

−1 kehyksensiirrossa ribosomi liukuu yhden nukleotidin taaksepäin ja jatkaa käännöstä -1 kehyksessä. Tyypillisesti on kolme elementtiä, jotka käsittävät -1 kehyksensiirtosignaalin: liukas sekvenssi , välialue ja RNA -sekundaarirakenne. Liukas sekvenssi sopii X_XXY_YYH-motiiviin, jossa XXX on mikä tahansa kolme identtistä nukleotidia (vaikka joitain poikkeuksia esiintyy), YYY edustaa tyypillisesti UUU: ta tai AAA: ta ja H on A, C tai U. Koska tämän motiivin rakenne sisältää 2 viereistä 3-nukleotidia toistaa uskotaan, että −1 kehyksensiirtoa kuvataan tandem-slippage-mallilla, jossa ribosomaaliset P-kohdan tRNA-antikodoniparit paritetaan välillä XXY-XXX ja A-kohdan anticodon-parit YYH-YYY samanaikaisesti. Nämä uudet parit ovat identtisiä 0-kehysparien kanssa, paitsi niiden kolmansissa paikoissa. Tämä ero ei haittaa merkittävästi antikodonisitoutumista, koska kodonin kolmannella nukleotidilla, joka tunnetaan huojunta -asemana , on heikompi tRNA: n antikodonin sitoutumisspesifisyys kuin ensimmäisellä ja toisella nukleotidilla. Tässä mallissa motiivirakenne selittyy sillä, että antikodonien ensimmäisen ja toisen aseman on kyettävä muodostamaan pari täydellisesti sekä 0- että -1 -kehyksissä. Siksi nukleotidien 2 ja 1 on oltava identtisiä ja myös nukleotidien 3 ja 2 on oltava identtisiä, mikä johtaa vaadittuun 3 identtisen nukleotidin sekvenssiin kullekin liukuvalle tRNA: lle.

+1 ribosomaalinen kehyksensiirto

+1 kehyksen siirtymä tapahtuu ribosomien ja P-kohdan tRNA-tauon aikana odottaessa harvinaisen arginiinitRNA: n saapumista. A-kohdan kodoni uusissa kehyksissä pareiksi yleisemmän glysiinin tRNA: n antikodoniksi, ja translaatio jatkuu.

+1 kehyksensiirtosignaalin liukkaalla sekvenssillä ei ole samaa motiivia, ja sen sijaan näyttää toimivan keskeyttämällä ribosomi harvinaista aminohappoa koodaavassa sekvenssissä. Ribosomit eivät käännä proteiineja tasaisesti, sekvenssistä riippumatta. Tietyt kodonit kääntyvät kauemmin, koska sytosolissa ei ole yhtä suuria määriä kyseisen kodonin tRNA : ta . Tämän viiveen vuoksi on olemassa pieniä kodonisekvenssien osia, jotka ohjaavat ribosomaalisten kehysten siirtymisnopeutta. Erityisesti ribosomin täytyy pysähtyä odottamaan harvinaisen tRNA: n saapumista, ja tämä lisää ribosomin ja siihen liittyvän tRNA: n kineettistä suosiota uuteen kehykseen. Tässä mallissa lukukehyksen muutos johtuu yksittäisestä tRNA: n liukumisesta kahden sijasta.

Ohjausmekanismit

Ribosomaalinen kehyksensiirto voidaan ohjata mRNA-sekvenssissä olevilla mekanismeilla (cis-toimiva). Tämä viittaa yleensä liukkaaseen sekvenssiin, RNA: n toissijaiseen rakenteeseen tai molempiin. -1 kehyksensiirtosignaali koostuu molemmista elementeistä, jotka on erotettu tyypillisesti 5–9 nukleotidin pituisella välialueella. Kehyksensiirtoa voivat indusoida myös muut molekyylit, jotka ovat vuorovaikutuksessa ribosomin tai mRNA: n kanssa (trans-vaikuttava).

Kehyksensiirto -signaalielementit

Tämä on graafinen esitys HIV1 -kehyksensiirtosignaalista. -1 lukukehyksen liukas sekvenssin alue johtaa käännös pol sijasta gag -proteiinin koodaava alue, tai avoimen lukukehyksen (ORF). Sekä gag- että pol -proteiineja tarvitaan käänteistranskriptaasiin, joka on välttämätöntä HIV1 -replikaatioon.

Liukas järjestys

Liukkaat sekvenssit voivat mahdollisesti saada lukuribosomin "liukumaan" ja ohittaa useita nukleotideja (yleensä vain yhden) ja lukea sen jälkeen täysin erilaisen kehyksen. Ohjelmoidussa -1 ribosomaalisessa kehyksensiirrossa liukas sekvenssi sopii X_XXY_YYH -motiiviin, jossa XXX on mikä tahansa kolme identtistä nukleotidia (joskin joitain poikkeuksia esiintyy), YYY tyypillisesti edustaa UUU: ta tai AAA: ta ja H on A, C tai U. Kuten 1 kehyksensiirto, liukas sekvenssi sisältää kodoneja, joita vastaava tRNA on harvinaisempi, ja kehyksen siirtoa suositaan, koska uuden kehyksen kodonilla on yleisempi liittyvä tRNA. Yksi esimerkki liukkaasta sekvenssistä on mRNA: n polyA , jonka tiedetään indusoivan ribosomien liukumista jopa ilman muita elementtejä.

RNA: n toissijainen rakenne

Tehokas ribosomaalinen kehyksensiirto vaatii yleensä RNA -sekundaarirakenteen läsnäoloa liukkaan sekvenssin vaikutusten parantamiseksi. RNA rakenne (joka voi olla varsi-silmukka tai pseudoknot ) uskotaan keskeyttää ribosomin liukkaalla päällä translaation aikana, pakottaa sen muuttamaan ja jatkaa replikaation -1-asemassa. Uskotaan, että tämä johtuu siitä, että rakenne estää fyysisesti ribosomin liikkeen jumittumalla ribosomin mRNA -tunneliin. Tätä mallia tukee se, että pseudoknotin vahvuus on korreloinut positiivisesti siihen liittyvän mRNA: n kehyksensiirtotason kanssa.

Alla on esimerkkejä kehyksensiirtoelementtien ennakoiduista toissijaisista rakenteista, joiden on osoitettu stimuloivan kehyksen siirtymistä eri organismeissa. Suurin osa esitetyistä rakenteista on varsisilmukoita, lukuun ottamatta ALIL (apical loop-internal loop) -pseudoknot-rakennetta. Näissä kuvissa suuret ja epätäydelliset mRNA -ympyrät edustavat lineaarisia alueita. Toissijaiset "varsisilmukka" -rakenteet, joissa "varret" muodostuvat mRNA-emäsalueen alueesta, joka muodostaa pariliitoksen toisen alueen saman alueen kanssa, on esitetty lineaarisesta DNA: sta ulkonevana. HIV: n ribosomaalisen kehyksensiirtosignaalin lineaarinen alue sisältää erittäin konservoituneen UUU UUU A: n liukas sekvenssi; monet muut ennustetut rakenteet sisältävät myös ehdokkaita liukkaille sekvensseille.

Kuvien mRNA -sekvenssit voidaan lukea ohjeiden mukaisesti. Vaikka A, T, C ja G edustavat tiettyä nukleotidiä asemassa, on myös epäselvyyttä edustavia kirjaimia, joita käytetään silloin, kun kyseisessä kohdassa voi esiintyä useampaa kuin yhtä nukleotidityyppiä. Kansainvälisen puhtaan ja sovelletun kemian liiton ( IUPAC ) säännöt ovat seuraavat:

Symboli Kuvaus Perusteet edustettuina Täydentää
A denine A 1 T
C C ytosine C G
G G uaniini G C
T T hymine T A
U U racil U A
W W eak A T 2 W
S S trong C G S
M a M ino A C K
K K eto G T M
R pu R ine A G Y
Y p Y rimidiini C T R
B ei A ( B tulee A: n jälkeen) C G T 3 V
D ei C ( D tulee C: n jälkeen) A G T H
H ei G ( H tulee G: n jälkeen) A C T D
V ei T ( V tulee T: n ja U: n perään) A C G B
N mikä tahansa N ucleotide (ei rako) A C G T 4 N
Z Z ero 0 Z

Nämä symbolit pätevät myös RNA: lle, paitsi että U (urasiili) korvaa T: n (tymiini).

Kehyksensiirtoelementit
Tyyppi Jakelu Viite.
ALIL pseudoknot Bakteerit
Anti -RNA -kehyksensiirto stimulaatioelementti Selkärangattomat
Koronaviruksen kehyksensiirto stimulaatioelementti Koronaviirus
DnaX -ribosomaalinen kehyksensiirtoelementti Eukaryota , bakteerit
HIV -ribosomaalinen kehyksensiirtosignaali Virukset
Lisäysjärjestys IS1222 ribosomaalinen kehyksensiirtoelementti Eukaryota , bakteerit
Ribosomaalinen kehyksensiirto Virukset

Trans-toimivat elementit

Pienten molekyylien, proteiinien ja nukleiinihappojen on havaittu stimuloivan kehyksen siirtymistasoja. Esimerkiksi negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan mekanismi polyamiinisynteesireitillä perustuu polyamiinitasoihin, jotka stimuloivat +1 kehyksen siirtymän lisääntymistä, mikä johtaa inhiboivan entsyymin tuotantoon. Tiettyjen proteiinien, joita tarvitaan kodonin tunnistamiseen tai jotka sitoutuvat suoraan mRNA -sekvenssiin, on myös osoitettu moduloivan kehyksensiirtotasoja. MikroRNA (miRNA) -molekyylit voivat hybridisoitua RNA -sekundaarirakenteeseen ja vaikuttaa sen vahvuuteen.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit