Kodon stop - Stop codon

Kodon stop (czerwona kropka) genu MT-ATP8 ludzkiego mitochondrialnego DNA i kodon start (niebieskie kółko) genu MT-ATP6 . Dla każdej trójki nukleotydów (nawiasy kwadratowe) podany jest odpowiedni aminokwas (kod jednoliterowy), albo w ramce odczytu +1 dla MT-ATP8 (na czerwono) lub w ramce +3 dla MT-ATP6 (na niebiesko). ). W tym regionie genomowym te dwa geny nakładają się na siebie .

W biologii molekularnej (w szczególności biosynteza białek ), kodon stop (lub kodon terminacji ) jest kodonem ( trójka nukleotydów w informacyjnym RNA ), który sygnalizuje zakończenie procesu translacji aktualnego białka . Większość kodonów w informacyjnym RNA odpowiada dodaniu aminokwasu do rosnącego łańcucha polipeptydowego , który może ostatecznie stać się białkiem; Kodony stop sygnalizują zakończenie tego procesu przez wiązanie czynników uwalniających , które powodują dysocjację podjednostek rybosomalnych , uwalniając łańcuch aminokwasów.

Podczas gdy kodony start potrzebują pobliskich sekwencji lub czynników inicjacji do rozpoczęcia translacji, sam kodon stop jest wystarczający do zainicjowania terminacji.

Nieruchomości

Kodony standardowe

W standardowym kodzie genetycznym występują trzy różne kodony terminacji:

Kodon Kod standardowy
(tabela tłumaczeń 1)
Nazwa
DNA RNA
ETYKIETKA UAG STOP = Ter (*) "bursztyn"
TAA UAA STOP = Ter (*) "ochra"
TGA UGA STOP = Ter (*) „opal” (lub „umbra”)

Alternatywne kodony stop

Istnieją odmiany standardowego kodu genetycznego , i alternatywne kodony stop znaleziono w mitochondrialnych genomów z kręgowców , Scenedesmus obliquus i Thraustochytrium .

Tabela alternatywnych kodonów stop i porównanie ze standardowym kodem genetycznym
Kod genetyczny
Tabela tłumaczeń
Kodon Tłumaczenie
z tym kodem
Tłumaczenie standardowe
DNA RNA
Mitochondria kręgowców 2 AGA AGA STOP = Ter (*) Argument (R)
AGG AGG STOP = Ter (*) Argument (R)
Scenedesmus obliquus mitochondrialne 22 TCA UCA STOP = Ter (*) Ser (S)
Thraustochytrium mitochondrialne 23 TTA UUA STOP = Ter (*) Leu (L)
Właściwości biochemiczne aminokwasów Niepolarny Polarny Podstawowy Kwaśny Terminacja: kodon stop

Zmienione kodony stop

Jądrowy kod genetyczny jest elastyczny, co ilustrują wariantowe kody genetyczne, które ponownie przypisują standardowe kodony stop do aminokwasów.

Tabela warunkowych kodonów stop i porównanie ze standardowym kodem genetycznym
Kod genetyczny
Tabela tłumaczeń
Kodon
Tłumaczenie warunkowe
Tłumaczenie standardowe
DNA RNA
Karyorelikt jądrowy 27 TGA UGA Ter (*) lub Trp (W) Ter (*)
Condylostoma jądrowa 28 TAA UAA Ter (*) lub Gln (Q) Ter (*)
ETYKIETKA UAG Ter (*) lub Gln (Q) Ter (*)
TGA UGA Ter (*) lub Trp (W) Ter (*)
Jądrowa Blastocrithidia 31 TAA UAA Ter (*) lub Glu (E) Ter (*)
ETYKIETKA UAG Ter (*) lub Glu (E) Ter (*)

Tłumaczenie

W 1986 r. przedstawiono przekonujące dowody na to, że selenocysteina (Sec) została włączona w kotranslację. Ponadto kodon częściowo kierujący jego włączeniem do łańcucha polipeptydowego zidentyfikowano jako UGA, znany również jako kodon terminacji opal . Różne mechanizmy zastępowania funkcji terminacji tego kodonu zostały zidentyfikowane u prokariontów i eukariontów. Szczególna różnica między tymi królestwami polega na tym, że elementy cis wydają się ograniczone do sąsiedztwa kodonu UAG u prokariontów, podczas gdy u eukariontów ograniczenie to nie występuje. Zamiast tego takie lokalizacje wydają się nieprzychylne, choć nie zabronione.

W 2003 roku w przełomowym artykule opisano identyfikację wszystkich znanych selenoprotein u ludzi: łącznie 25. Podobne analizy przeprowadzono dla innych organizmów.

Kodon UAG może w podobny sposób ulegać translacji na pirolizynę (Pyl).

Dystrybucja genomowa

Dystrybucja kodonów stop w genomie organizmu nie jest losowa i może korelować z zawartością GC . Na przykład genom E. coli K-12 zawiera 2705 TAA (63%), 1257 TGA (29%) i 326 TAG (8%) kodonów stop (zawartość GC 50,8%). Również substraty dla kodonów stop, czynnika uwalniania 1 lub czynnika uwalniania 2, są silnie skorelowane z obfitością kodonów stop. Badanie na dużą skalę bakterii z szerokim zakresem zawartości GC pokazuje, że chociaż częstość występowania TAA jest ujemnie skorelowana z zawartością GC, a częstość występowania TGA jest skorelowana dodatnio z zawartością GC, częstość występowania kodonu stop TAG, który jest często minimalnie używanym kodonem stop w genomie, nie ma wpływu na zawartość GC.

Uznanie

Rozpoznawanie kodonów stop u bakterii powiązano z tak zwanym „antykodonem tripeptydowym”, wysoce konserwatywnym motywem aminokwasowym w RF1 (PxT) i RF2 (SPF). Mimo że jest to poparte badaniami strukturalnymi, wykazano, że hipoteza antykodonu tripeptydowego jest nadmiernym uproszczeniem.

Nomenklatura

W przeszłości kodonom stop nadano wiele różnych nazw, ponieważ każdy z nich odpowiadał odrębnej klasie mutantów, które zachowywały się w podobny sposób. Mutanty te zostały po raz pierwszy wyizolowane z bakteriofagów ( T4 i lambda ), wirusów infekujących bakterie Escherichia coli . Mutacje w genach wirusowych osłabiły ich zdolność zakaźną, czasami tworząc wirusy, które były w stanie infekować i rosnąć tylko w niektórych odmianach E. coli .

mutacje bursztynowe ( UAG )

Były to pierwsze odkryte mutacje nonsensowne , wyizolowane przez Richarda H. Epsteina i Charlesa Steinberga i nazwane na cześć ich przyjaciela i absolwenta Caltech Harrisa Bernsteina, którego nazwisko oznacza bursztyn w języku niemieckim ( por. Bernstein ).

Wirusy z mutacjami bursztynu charakteryzują się zdolnością do infekowania tylko niektórych szczepów bakterii, zwanych supresorami bursztynu. Bakterie te niosą własną mutację, która umożliwia przywrócenie funkcji zmutowanych wirusów. Na przykład mutacja w tRNA, która rozpoznaje bursztynowy kodon stop, umożliwia translacji „przeczytanie” kodonu i wytworzenie białka o pełnej długości, tym samym odzyskując normalną postać białka i „tłumiąc” mutację bursztynową. Tak więc mutanty bursztynowe to cała klasa mutantów wirusów, które mogą rosnąć w bakteriach zawierających mutacje supresora bursztynu. Podobne supresory są również znane z kodonów stop w kolorze ochry i opalu.

Cząsteczki tRNA niosące nienaturalne aminokwasy zostały zaprojektowane do rozpoznawania bursztynowego kodonu stop w bakteryjnym RNA. Technologia ta pozwala na inkorporację ortogonalnych aminokwasów (takich jak p-azydofenyloalanina) w określonych miejscach docelowego białka.

mutacje ochry ( UAA )

Była to druga odkryta mutacja kodonu stop. Przypominający zwykły żółto-pomarańczowo-brązowy kolor kojarzony z bursztynem, ten drugi stopkodon został nazwany ochrą , pomarańczowo-czerwono-brązowym pigmentem mineralnym.

Zmutowane wirusy ochry miały właściwości podobne do mutantów bursztynowych, ponieważ odzyskiwały zdolność zakaźną w pewnych szczepach supresorowych bakterii. Zestaw supresorów ochry różnił się od supresorów bursztynowych, więc wywnioskowano, że mutanty ochry odpowiadają różnym trypletom nukleotydów. Poprzez serię eksperymentów mutacyjnych porównujących te mutanty ze sobą i innymi znanymi kodonami aminokwasów, Sydney Brenner doszedł do wniosku, że mutacje bursztynu i ochry odpowiadają trypletom nukleotydów „UAG” i „UAA”.

mutacje opalowe lub umbrowe ( UGA )

Trzeci i ostatni kodon stop w standardowym kodzie genetycznym odkryto wkrótce potem i odpowiada on trójce nukleotydów „UGA”.

Aby kontynuować dopasowywanie się do tematu kolorowych minerałów, trzeci nonsensowny kodon stał się znany jako opal , który jest rodzajem krzemionki o różnych kolorach. Nonsensowne mutacje, które stworzyły ten przedwczesny kodon stop, nazwano później mutacjami opal lub mutacjami umbry .

Mutacje

Nonsens

Mutacje nonsensowne to zmiany w sekwencji DNA, które wprowadzają przedwczesny kodon stop, powodując nieprawidłowe skrócenie powstałego białka. Często powoduje to utratę funkcji białka, ponieważ krytyczne części łańcucha aminokwasowego nie są już montowane. Z powodu tej terminologii kodony stop są również określane jako kodony nonsensowne .

Bez przerwy

Nonstop mutacja jest mutacja punktowa , która występuje w obrębie kodonu stop. Nieustanne mutacje powodują ciągłą translację nici mRNA do tego, co powinno być regionem niepodlegającym translacji. Większość polipeptydów powstałych z genu z mutacją nieprzerwaną jest niefunkcjonalna ze względu na ich ekstremalną długość.

Mutacje ciągłe różnią się od mutacji nonsensownych tym, że nie tworzą kodonu stop, ale zamiast tego usuwają jeden. Mutacje ciągłe różnią się także od mutacji zmiany sensu , które są mutacjami punktowymi , w których pojedynczy nukleotyd jest zmieniany w celu zastąpienia go innym aminokwasem .

Mutacje ciągłe powiązano z kilkoma chorobami wrodzonymi, w tym wrodzonym przerostem nadnerczy , zmienną dysgenezją przedniego odcinka oka , mukowiscydozą i mitochondrialną encefalomiopatią neuro- żołądkowo-jelitową .

Ukryte przystanki

Przykład delecji pojedynczej zasady tworzącej kodon stop.

Ukryte przystanki to kodony nieprzerwane, które byłyby odczytywane jako kodony stop, gdyby zostały przesunięte w ramce o +1 lub -1. Te przedwcześnie kończą translację, jeśli odpowiednie przesunięcie ramki (takie jak z powodu poślizgu rybosomalnego RNA) wystąpi przed ukrytym zatrzymaniem. Przypuszcza się, że zmniejsza to marnotrawstwo zasobów na niefunkcjonalne białka i produkcję potencjalnych cytotoksyn . Naukowcy z Louisiana State University zaproponować zasadzki hipotezę , że ukryte przystanki są wybierane. Kodony, które mogą tworzyć ukryte stopnie, są używane w genomach częściej niż kodony synonimiczne, które w przeciwnym razie kodowałyby ten sam aminokwas. Niestabilne rRNA w organizmie koreluje z wyższą częstotliwością ukrytych przystanków. Ta hipoteza nie mogła jednak zostać zweryfikowana przy użyciu większego zestawu danych.

Kodony stop i ukryte przystanki są łącznie określane jako sygnały stop. Naukowcy z University of Memphis odkryli, że proporcje sygnałów stop w trzech ramkach odczytu genomu (nazywane stosunkiem sygnałów stop translacji lub TSSR) genetycznie spokrewnionych bakterii, pomimo dużych różnic w zawartości genów, są bardzo podobne. . Ta prawie identyczna wartość genomowego TSSR dla bakterii spokrewnionych genetycznie może sugerować, że ekspansja genomu bakteryjnego jest ograniczona przez ich unikalną stronniczość sygnałów stop tego gatunku bakterii.

Przeczytanie tłumaczenia

Supresja kodonu stop lub odczyt translacyjny występuje, gdy w translacji kodon stop jest interpretowany jako kodon sensowny, to znaczy, gdy (standardowy) aminokwas jest „kodowany” przez kodon stop. Przyczyną odczytu mogą być zmutowane tRNA , ale także pewne motywy nukleotydowe zbliżone do kodonu stop. Odczyt translacyjny jest bardzo powszechny w przypadku wirusów i bakterii, a także został znaleziony jako zasada regulacji genów u ludzi, drożdży, bakterii i muszek owocowych. Ten rodzaj endogennego odczytu translacyjnego stanowi odmianę kodu genetycznego , ponieważ kodon stop koduje aminokwas. W przypadku ludzkiej dehydrogenazy jabłczanowej kodon stop jest odczytywany z częstotliwością około 4%. Aminokwas wstawiony w kodonie stop zależy od tożsamości samego kodonu stop: Gln, Tyr i Lys zostały znalezione dla kodonów UAA i UAG, podczas gdy Cys, Trp i Arg dla kodonu UGA zostały zidentyfikowane na podstawie masy spektrometria. Zasięg odczytu u ssaków jest bardzo zróżnicowany i może znacznie różnicować proteom i wpływać na progresję raka

Użyj jako znaku wodnego

W 2010 roku, kiedy Craig Venter zaprezentował pierwszą w pełni funkcjonującą, reprodukującą się komórkę kontrolowaną przez syntetyczne DNA , opisał, jak jego zespół używał częstych kodonów stop do tworzenia znaków wodnych w RNA i DNA, aby potwierdzić, że wyniki są rzeczywiście syntetyczne (a nie zanieczyszczone lub w inny sposób), używając go do kodowania nazwisk autorów i adresów stron internetowych.

Zobacz też

Bibliografia