Rybosomalne przesunięcie ramy — Ribosomal frameshift

Rybosomalne przesunięcie ramki , znane również jako translacyjne przesunięcie ramki lub rekodowanie translacyjne , to zjawisko biologiczne, które występuje podczas translacji , w wyniku czego z pojedynczego mRNA powstaje wiele unikalnych białek . Proces może być zaprogramowany przez sekwencję nukleotydową mRNA i czasami ma na niego wpływ drugorzędowa, trójwymiarowa struktura mRNA . Została ona opisana głównie w wirusach (zwłaszcza retrowirusach ), retrotranspozonach i bakteryjnych elementach insercyjnych, a także w niektórych genach komórkowych.

Przegląd procesu

Białka są tłumaczone poprzez odczytanie trinukleotydów na nici mRNA, znanych również jako kodony , z jednego końca mRNA do drugiego (od 5' do 3' końca), zaczynając od aminokwasu metioniny jako początku (inicjacja) kodon AUG. Każdy kodon jest tłumaczony na pojedynczy aminokwas . Sam kod jest uważany za zdegenerowany, co oznacza, że ​​konkretny aminokwas może być określony przez więcej niż jeden kodon. Jednak przesunięcie dowolnej liczby nukleotydów, która nie jest podzielna przez 3 w ramce odczytu, spowoduje, że kolejne kodony będą odczytywane inaczej. To skutecznie zmienia rybosomalną ramkę odczytu .

Przykład zdania

W tym przykładzie poniższe zdanie zawierające trzyliterowe słowa ma sens, gdy czyta się je od początku:

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

Jednakże, jeśli ramka odczytu zostanie przesunięta o jedną literę pomiędzy T i H pierwszego słowa (efektywnie przesunięcie ramki o +1, gdy traktuje się pozycję 0 jako początkową pozycję T ),

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

wtedy zdanie brzmi inaczej, bez sensu.

Przykład DNA

W tym przykładzie następująca sekwencja jest regionem ludzkiego genomu mitochondrialnego z dwoma nakładającymi się genami MT-ATP8 i MT-ATP6 . Odczytane od początku kodony te mają sens dla rybosomu i mogą być tłumaczone na aminokwasy (AA) pod kodem mitochondrialnym kręgowców :

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

Jednak zmieńmy ramkę odczytu, rozpoczynając jeden nukleotyd w dół (efektywnie "przesunięcie ramki o 1", gdy uważamy, że pozycja 0 jest początkową pozycją A ):

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

Teraz, z powodu tego przesunięcia ramki o +1, sekwencja DNA jest odczytywana inaczej. Różne ramki odczytu kodonów dają zatem różne aminokwasy.

W przypadku translacji rybosomu, przesunięcie ramki może albo skutkować nonsensem (przedwczesnym kodonem stop) po przesunięciu ramki, albo stworzeniem zupełnie nowego białka po przesunięciu ramki. W przypadku, gdy przesunięcie ramki odczytu skutkuje nonsensem, szlak NMD ( zanikanie mRNA za pośrednictwem nonsensu ) może zniszczyć transkrypt mRNA, więc przesunięcie ramki odczytu służyłoby jako metoda regulowania poziomu ekspresji powiązanego genu.

Funkcjonować

W przypadku wirusów zjawisko to można zaprogramować tak, aby występowało w określonych miejscach i umożliwiało wirusowi kodowanie wielu rodzajów białek z tego samego mRNA. Godne uwagi przykłady obejmują HIV-1 (ludzki wirus niedoboru odporności), RSV ( wirus mięsaka Rousa ) i wirus grypy (grypa), które polegają na przesunięciu ramki w celu stworzenia odpowiedniego stosunku 0-ramek (translacja normalna) i „trans-ramek” (kodowane przez sekwencję z przesunięciem ramki). Jego zastosowanie w wirusach służy przede wszystkim do zagęszczania większej ilości informacji genetycznej w krótszą ilość materiału genetycznego.

Wydaje się, że u eukariontów odgrywa rolę w regulowaniu poziomów ekspresji genów poprzez generowanie przedwczesnych zatrzymań i wytwarzanie niefunkcjonalnych transkryptów.

Rodzaje przesuwania ramek

Najpopularniejszym typem przesunięcia ramki jest -1 lub zaprogramowane -1 rybosomalne przesunięcie ramki (-1 PRF) . Inne, rzadsze typy przesuwania klatek obejmują przesuwanie klatek o 1 i -2. Uważa się, że przesunięcie ramki o 1 i +1 jest kontrolowane przez różne mechanizmy, które omówiono poniżej. Oba mechanizmy są napędzane kinetycznie .

Zaprogramowane -1 rybosomalne przesunięcie ramki

Poślizg tandemowy 2 tRNA w śliskiej sekwencji wirusa mięsaka Rousa. Po przesunięciu ramki nowe pary zasad są prawidłowe w pierwszym i drugim nukleotydzie, ale nieprawidłowe w pozycji chybotania. Wskazano miejsca E , P i A rybosomu. Lokalizacja rosnącego łańcucha polipeptydowego nie jest wskazana na obrazie, ponieważ nie ma jeszcze konsensusu co do tego, czy przesunięcie -1 występuje przed czy po transferze polipeptydu z tRNA z miejsca P do tRNA z miejsca A (w tym przypadku z tRNA Asn do Leu tRNA).

Przy przesunięciu ramki -1, rybosom cofa się o jeden nukleotyd i kontynuuje translację w ramce -1. Zazwyczaj istnieją trzy elementy, które zawierają sygnał przesunięcia ramki odczytu -1: sekwencja śliska , region przerywnika i struktura drugorzędowa RNA. Śliska sekwencja pasuje do motywu X_XXY_YYH, gdzie XXX to dowolne trzy identyczne nukleotydy (chociaż zdarzają się pewne wyjątki), YYY zazwyczaj reprezentuje UUU lub AAA, a H to A, C lub U. Ponieważ struktura tego motywu zawiera 2 sąsiadujące 3 nukleotydy powtarza, uważa się, że przesunięcie ramki odczytu -1 jest opisane przez model poślizgu tandemowego, w którym jednocześnie następuje ponowne parowanie antykodonu tRNA rybosomalnego miejsca P od XXY do XXX i ponowne pary antykodonu miejsca A od YYH do YYY. Te nowe pary są identyczne z parami z 0-ramkami, z wyjątkiem ich trzecich pozycji. Ta różnica nie wpływa znacząco na wiązanie antykodonu, ponieważ trzeci nukleotyd w kodonie, znany jako pozycja chybotania , ma słabszą specyficzność wiązania antykodonu tRNA niż pierwszy i drugi nukleotyd. W tym modelu struktura motywu jest wyjaśniona przez fakt, że pierwsza i druga pozycja antykodonów muszą być w stanie idealnie parować w obu ramkach 0 i -1. Dlatego nukleotydy 2 i 1 muszą być identyczne, a nukleotydy 3 i 2 również muszą być identyczne, co prowadzi do wymaganej sekwencji 3 identycznych nukleotydów dla każdego tRNA, które się przesuwa.

+1 rybosomalne przesunięcie ramki

Przesunięcie ramki o 1 następuje, gdy rybosom i tRNA w miejscu P zatrzymują się, aby poczekać na przybycie rzadkiego tRNA argininy. Kodon miejsca A w nowych parach ramek jest połączony z antykodonem bardziej powszechnego tRNA glicyny i translacja jest kontynuowana.

Śliska sekwencja dla sygnału przesunięcia ramki +1 nie ma tego samego motywu, a zamiast tego wydaje się działać poprzez pauzę rybosomu w sekwencji kodującej rzadki aminokwas. Rybosomy nie tłumaczą białek w stałym tempie, niezależnie od sekwencji. Translacja niektórych kodonów trwa dłużej, ponieważ w cytozolu nie ma równych ilości tRNA tego konkretnego kodonu . Z powodu tego opóźnienia istnieją w małych odcinkach sekwencji kodonów, które kontrolują szybkość rybosomalnego przesunięcia ramki. W szczególności rybosom musi zatrzymać się, aby poczekać na przybycie rzadkiego tRNA, a to zwiększa kinetyczną korzyść rybosomu i związanego z nim tRNA wślizgującego się do nowej ramki. W tym modelu zmiana ramki odczytu jest spowodowana pojedynczym poślizgiem tRNA, a nie dwoma.

Mechanizmy kontrolne

Przesunięcie ramki rybosomalnej może być kontrolowane przez mechanizmy znajdujące się w sekwencji mRNA (działające w cis). Ogólnie odnosi się to do śliskiej sekwencji, drugorzędowej struktury RNA lub obu. Sygnał przesunięcia ramki -1 składa się z obu elementów oddzielonych regionem odstępnika, zwykle o długości 5-9 nukleotydów. Przesunięcie ramki może być również indukowane przez inne cząsteczki, które oddziałują z rybosomem lub mRNA (działanie w układzie trans).

Elementy sygnału przesunięcia ramki

Jest to graficzna reprezentacja sygnału przesunięcia ramki HIV1. Przesunięcie ramki -1 w regionie śliskiej sekwencji powoduje translację pol zamiast regionu kodującego białko gag lub otwartej ramki odczytu (ORF). Zarówno białka gag, jak i pol są wymagane do odwrotnej transkryptazy, która jest niezbędna do replikacji HIV1.

Śliska sekwencja

Śliskie sekwencje mogą potencjalnie sprawić, że czytający rybosom „ześlizgnie się” i pominie pewną liczbę nukleotydów (zwykle tylko 1), a następnie odczyta zupełnie inną ramkę. W zaprogramowanym -1 rybosomalnym przesunięciu ramki, śliska sekwencja pasuje do motywu X_XXY_YYH, gdzie XXX to dowolne trzy identyczne nukleotydy (chociaż występują pewne wyjątki), YYY zazwyczaj reprezentuje UUU lub AAA, a H to A, C lub U. W przypadku + 1 przesunięcie ramki, śliska sekwencja zawiera kodony, dla których odpowiedni tRNA jest rzadszy, a przesunięcie ramki jest preferowane, ponieważ kodon w nowej ramce ma częściej związany tRNA. Jednym z przykładów śliskiej sekwencji jest poliA na mRNA, o którym wiadomo, że indukuje poślizg rybosomów nawet przy braku jakichkolwiek innych elementów.

Struktura drugorzędowa RNA

Skuteczne przesunięcie ramki rybosomalnej na ogół wymaga obecności drugorzędowej struktury RNA w celu wzmocnienia efektów śliskiej sekwencji. Uważa się, że struktura RNA (która może być pętlą pnia lub pseudowęzłem ) zatrzymuje rybosom w śliskim miejscu podczas translacji, zmuszając go do przeniesienia i kontynuowania replikacji z pozycji -1. Uważa się, że dzieje się tak, ponieważ struktura fizycznie blokuje ruch rybosomu poprzez utknięcie w tunelu rybosomu mRNA. Ten model jest wspierany przez fakt, że siła pseudowęzła jest dodatnio skorelowana z poziomem przesunięcia ramki dla związanego mRNA.

Poniżej znajdują się przykłady przewidywanych struktur drugorzędowych dla elementów przesuwania ramek, które stymulują przesuwanie ramek w różnych organizmach. Większość pokazanych struktur to pętle pnia, z wyjątkiem struktury pseudowęzłów ALIL (apical loop-internal loop). Na tych obrazach większe i niepełne okręgi mRNA reprezentują regiony liniowe. Pokazano, że drugorzędowe struktury „łodyg-pętla”, w których „łodygi” są utworzone przez region parowania zasad mRNA z innym regionem na tej samej nici, wystają z liniowego DNA. Liniowy region rybosomalnego sygnału przesunięcia ramki odczytu HIV zawiera wysoce konserwatywną sekwencję śliską UUU UUU A; wiele innych przewidywanych struktur zawiera również kandydatów na sekwencje śliskie.

Sekwencje mRNA na obrazach można odczytać zgodnie z zestawem wytycznych. Podczas gdy A, T, C i G reprezentują określony nukleotyd w danej pozycji, istnieją również litery, które reprezentują niejednoznaczność, które są używane, gdy w tej pozycji może wystąpić więcej niż jeden rodzaj nukleotydów. Zasady Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej ( IUPAC ) są następujące:

Te symbole są również ważne dla RNA, z wyjątkiem U (uracylu) zastępującego T (tymina).

Elementy transakcyjne

Stwierdzono, że małe cząsteczki, białka i kwasy nukleinowe stymulują poziomy przesunięcia ramek. Na przykład mechanizm pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego w szlaku syntezy poliamin opiera się na poziomach poliamin stymulujących wzrost przesunięć ramek o +1, co skutkuje wytwarzaniem enzymu hamującego. Wykazano, że niektóre białka potrzebne do rozpoznawania kodonów lub wiążące się bezpośrednio z sekwencją mRNA również modulują poziomy przesunięcia ramki odczytu. Cząsteczki mikroRNA (miRNA) mogą hybrydyzować ze strukturą drugorzędową RNA i wpływać na jego siłę.

Zobacz też

• Element stymulacji przesunięcia ramki RNA antyzymu
• Element stymulacji przesunięcia ramki koronawirusa
• Rybosomalny element przesuwania ramki DnaX
• Mutacja przesunięcia ramki
• Rybosomalny sygnał przesunięcia ramki HIV
• Sekwencja wstawiania rybosomalnego elementu przesuwającego ramkę IS1222
• Przekoduj bazę danych
• Pauza rybosomalna
• Śliska sekwencja

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Frameshifting,+Ribosomal w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)
• Wise2 — dopasowuje białko do sekwencji DNA , umożliwiając przesunięcia ramki i introny
• FastY — porównaj sekwencję DNA z bazą danych sekwencji białek , pozwalając na przerwy i przesunięcia ramek
• Path — narzędzie porównujące dwa białka przesunięcia ramki ( zasada translacji wstecznej )
• Recode2 — Baza danych przekodowanych genów, w tym tych, które wymagają zaprogramowanego translacyjnego przesunięcia ramki.