Аминоацил тРНК синтетаза - Aminoacyl tRNA synthetase
| Антикодон-связывающий домен тРНК | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 лейцил-тРНК синтетаза из Thermus thermophilus в комплексе с аналогом субстрата редактирования после переноса
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Условное обозначение | Anticodon_2 | ||||||||
| Pfam | PF08264 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR013155 | ||||||||
| SCOP2 | 1ivs / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| DALR-антикодон-связывающий домен 1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Аргинил-трнк синтетаза Thermus thermophilus
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Условное обозначение | DALR_1 | ||||||||
| Pfam | PF05746 | ||||||||
| Клан пфам | CL0258 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR008909 | ||||||||
| SCOP2 | 1bs2 / СФЕРА / СУПФАМ | ||||||||
| |||||||||
| DALR-антикодон-связывающий домен 2 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 кристаллическая структура бинарного комплекса цистеинил-тРНК синтетаза с тРНК Cys
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Условное обозначение | DALR_2 | ||||||||
| Pfam | PF09190 | ||||||||
| Клан пфам | CL0258 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR015273 | ||||||||
| |||||||||
Аминоацил-тРНК - синтетазы ( AARS или АРС ), называемый также тРНК-лигазы, является ферментом , который придает соответствующую аминокислоту на его соответствующей тРНК . Он делает это, катализируя переэтерификацию конкретной родственной аминокислоты или ее предшественника в одну из всех ее совместимых родственных тРНК с образованием аминоацил-тРНК . У человека 20 различных типов аа-тРНК образуются 20 различными аминоацил-тРНК синтетазами, по одной для каждой аминокислоты генетического кода .
Иногда это называют «зарядкой» или «загрузкой» тРНК аминокислотой. Как только тРНК заряжена, рибосома может переносить аминокислоту из тРНК на растущий пептид в соответствии с генетическим кодом. Следовательно, аминоацил тРНК играет важную роль в трансляции РНК , экспрессии генов, создающих белки.
Механизм
Синтетаза сначала связывает АТФ и соответствующую аминокислоту (или ее предшественник) с образованием аминоацил-аденилата, высвобождая неорганический пирофосфат (PPi). Затем комплекс аденилат-aaRS связывает D-плечо соответствующей молекулы тРНК , и аминокислота переносится от aa-AMP к 2'- или 3'-OH последнего нуклеотида тРНК (A76) в 3'- конец.
Механизм можно резюмировать в следующей серии реакций:
- Аминокислота + АТФ → Аминоацил-АМФ + PPi
- Аминоацил-АМФ + тРНК → Аминоацил-тРНК + АМФ
Суммируя реакции, можно получить следующую высокоэргоничную общую реакцию:
- Аминокислота + тРНК + АТФ → Аминоацил-тРНК + АМФ + PPi
Некоторые синтетазы также опосредуют реакцию редактирования, чтобы гарантировать высокую точность зарядки тРНК. Если добавлена неправильная тРНК (иначе обнаруживается, что тРНК заряжена неправильно), связь аминоацил-тРНК гидролизуется . Это может произойти, когда две аминокислоты имеют разные свойства, даже если они имеют схожую форму - как в случае с валином и треонином .
Точность определения аминоацил-тРНК синтетазы настолько высока, что ее часто используют в сочетании со словом «сверхспецифичность» при сравнении с другими ферментами, участвующими в метаболизме. Хотя не все синтетазы имеют домен с единственной целью редактирования, они создают за счет специфического связывания и активации их дочерних аминокислот. Еще одним вкладом в точность этих синтетаз является соотношение концентраций аминоацил-тРНК-синтетазы и родственной ей тРНК. Поскольку тРНК-синтетаза неправильно ацилирует тРНК, когда синтетаза чрезмерно продуцируется должен существовать предел уровней aaRS и тРНК in vivo.
Классы
Существует два класса аминоацил тРНК синтетазы, каждый из которых состоит из десяти ферментов:
- Класс I имеет два высококонсервативных мотива последовательности. Он аминоацилируется по 2'-OH концевого аденозинового нуклеотида на тРНК, и обычно он является мономерным или димерным (одна или две субъединицы, соответственно).
- Класс II имеет три высококонсервативных мотива последовательности. Он аминоацилирует по 3'-OH концевого аденозина на тРНК и обычно является димерным или тетрамерным (две или четыре субъединицы соответственно). Хотя фенилаланин-тРНК синтетаза относится к классу II, она аминоацилируется по 2'-OH.
Аминокислоты присоединены к гидроксильной (-ОН) группе аденозина через карбоксильную (-COOH) группу.
Независимо от того, где аминоацил изначально присоединен к нуклеотиду, 2'- O- аминоацил-тРНК в конечном итоге переместится в 3'-положение посредством переэтерификации .
Структуры
Оба класса аминоацил-тРНК синтетаз являются мультидоменными белками. В типичном сценарии aaRS состоит из каталитического домена (где происходят обе вышеуказанные реакции) и антикодонного связывающего домена (который взаимодействует в основном с антикодоновой областью тРНК). Трансферные РНК для разных аминокислот различаются не только своим антикодоном, но и другими пунктами, что дает им несколько разные общие конфигурации. Аминоацил-тРНК-синтетазы распознают правильные тРНК в первую очередь по их общей конфигурации, а не только по их антикодону. Кроме того, некоторые aaRS имеют дополнительные домены связывания РНК и редактирующие домены, которые расщепляют неправильно спаренные молекулы аминоацил-тРНК.
Каталитические домены всех aaRS данного класса гомологичны друг другу, тогда как aaRS класса I и класса II не связаны друг с другом. AaRS класса I имеют повсеместную складку Россмана и архитектуру параллельных бета-цепей, тогда как aaRS класса II имеют уникальную складку, состоящую из антипараллельных бета-цепей.
Альфа - винтовой антикодоновый связывающий домен аргинил, глицил и цистеинил-тРНК синтетазов известен как домен DALR после характеристики консервативных аминокислот .
Кинетические исследования аминоацил-тРНК-синтетаз показали, что ионы Mg2 + играют активную каталитическую роль и, следовательно, aaR имеют определенную зависимость от магния. Увеличение концентрации Mg2 + приводит к увеличению констант равновесия реакций аминоацил-тРНК синтетаз. Хотя эта тенденция наблюдалась как для синтетаз класса I, так и для класса II, зависимость от магния для этих двух классов очень различна. Синтетазы класса II содержат два или три (чаще всего три) иона Mg2 +, тогда как класс I требует только один ион Mg2 +.
Помимо отсутствия общего сходства последовательности и структуры, синтетазы класса I и класса II обладают разными механизмами распознавания АТФ. В то время как класс I связывается посредством взаимодействий, опосредованных водородными связями в основной цепи, класс II использует пару остатков аргинина для установления солевых мостиков со своим лигандом АТФ. Эта оппозиционная реализация проявляется в двух структурных мотивах, скобках для позвоночника и пинцете с аргинином, которые наблюдаются во всех структурах класса I и класса II, соответственно. Высокая структурная сохранность этих мотивов предполагает, что они, должно быть, присутствовали с древних времен.
Эволюция
Большинство aaRS с данной специфичностью эволюционно ближе друг к другу, чем к aaRS с другой специфичностью. Однако AsnRS и GlnRS входят в состав AspRS и GluRS соответственно. Большинство aaRS данной специфичности также принадлежат к одному классу. Однако существует две различные версии LysRS: одна относится к семейству класса I, а другая - к семейству класса II.
Молекулярная филогения aaRS часто не согласуется с принятой филогенетикой организма . То есть они нарушают так называемый канонический филогенетический паттерн, демонстрируемый большинством других ферментов для трех областей жизни - архей , бактерий и эукариев . Более того, филогения, предполагаемая для aaRS различных аминокислот, часто не согласуется друг с другом. Кроме того, паралоги aaRS внутри одного и того же вида демонстрируют высокую степень дивергенции между собой. Это явные признаки того, что горизонтальный перенос происходил несколько раз в течение эволюционной истории aaRSs.
Распространенное мнение об эволюционной стабильности этого суперсемейства, означающее, что каждый организм имеет все aaRS для соответствующих им аминокислот, неверно. Крупномасштабный геномный анализ ~ 2500 геномов прокариот показал, что многие из них пропускают один или несколько генов aaRS, тогда как многие геномы имеют 1 или несколько паралогов. AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS и ValRS - наиболее эволюционно стабильные члены семейства. GluRS, LysRS и CysRS часто имеют паралоги, тогда как AsnRS, GlnRS, PylRS и SepRS часто отсутствуют во многих геномах.
За исключением AlaRS, было обнаружено, что 19 из 20 человеческих aaRS добавили по крайней мере один новый домен или мотив. Эти новые домены и мотивы различаются по функциям и наблюдаются в различных формах жизни. Общей новой функцией aaRS человека является обеспечение дополнительной регуляции биологических процессов. Существует теория, согласно которой увеличение числа aaRS, которые добавляют домены, связано с непрерывной эволюцией высших организмов с более сложными и эффективными строительными блоками и биологическими механизмами. Одним из ключевых доказательств этой теории является то, что после добавления нового домена в aaRS этот домен становится полностью интегрированным. С этого момента функциональность этого нового домена сохраняется.
По мере развития генетической эффективности у высших организмов было добавлено 13 новых доменов без очевидной связи с каталитической активностью генов aaRSs.
Применение в биотехнологии
В некоторых аминоацил-тРНК-синтетазах полость, в которой находится аминокислота, может быть видоизменена и модифицирована, чтобы нести неестественные аминокислоты, синтезированные в лаборатории, и прикреплять их к определенным тРНК. Это расширяет генетический код за пределы двадцати канонических аминокислот, встречающихся в природе, и включает также неприродные аминокислоты. Не встречающаяся в природе аминокислота кодируется бессмысленным триплетом (TAG, TGA, TAA), квадруплетным кодоном или, в некоторых случаях, избыточным редким кодоном. Затем организм, который экспрессирует мутантную синтетазу, может быть генетически запрограммирован на включение неприродной аминокислоты в любое желаемое положение в любом интересующем белке, что позволяет биохимикам или структурным биологам исследовать или изменять функцию белка. Например, можно начать с гена белка, который связывает определенную последовательность ДНК, и, направив неприродную аминокислоту с реактивной боковой цепью в сайт связывания, создать новый белок, который разрезает ДНК на мишени. -последовательность, а не обязывающая.
Мутировав аминоацил тРНК-синтетазы, химики расширили генетические коды различных организмов, включив в них синтезированные в лаборатории аминокислоты со всеми видами полезных свойств: фотореактивными, хелатирующими металлами, хелатирующими ксенон, сшивающими, спин-резонансными, флуоресцентными, биотинилированными и редокс-активные аминокислоты. Другое использование - введение аминокислот, несущих реактивные функциональные группы, для химической модификации целевого белка.
Причины определенных заболеваний (таких как нейрональные патологии, рак, нарушенные метаболические состояния и аутоиммунные нарушения) коррелировали со специфическими мутациями аминоацил-тРНК-синтетаз. Шарко-Мари-Тут (CMT) - наиболее частое наследственное заболевание периферической нервной системы (заболевание нейронов), вызываемое наследственной мутацией гликоль-тРНК и тирозил-тРНК. Диабет, нарушение обмена веществ, вызывает окислительный стресс, который вызывает накопление мутаций митохондриальной тРНК. Также было обнаружено, что тРНК-синтетазы могут частично участвовать в этиологии рака. Высокий уровень экспрессии или модификации aaRS наблюдался в ряде видов рака. Обычным результатом мутаций aaRS является нарушение формы / образования димера, которое имеет прямое отношение к его функции. Эти корреляции между aaRS и некоторыми заболеваниями открыли новую дверь для синтеза терапевтических средств.
Некаталитические домены
Новые доменные дополнения к генам aaRS усиливаются и прогрессируют вверх по Древу Жизни . Сильное эволюционное давление этих небольших некаталитических белковых доменов предполагает их важность. Открытия, начатые в 1999 году и позже, выявили ранее неизвестный слой биологии: эти белки контролируют экспрессию генов в исходной клетке, а при высвобождении оказывают гомеостатический контроль и контроль развития в определенных типах клеток, тканях и органах человека во время развития взрослого человека или плода, либо того и другого вместе, включая пути, связанные с ангиогенезом , воспалением , иммунным ответом , механистической мишенью передачи сигналов рапамицина (mTOR), апоптозом , онкогенезом и передачей сигналов интерферона гамма (IFN- γ ) и p53 .
Клинический
Мутации в митохондриальной фермента были связаны с целым рядом генетических расстройств , включая синдром Ли , синдром Веста и CAGSSS ( катаракта , гормона роста дефицита, сенсорной невропатии , нейросенсорной потерей слуха и синдром скелетной дисплазии).
Серверы прогнозов
- ICAARS : B. Pawar и GPS Raghava (2010) Прогнозирование и классификация аминоацил тРНК синтетаз с использованием доменов PROSITE. BMC Genomics 2010, 11: 507
- MARSpred : Панвар Б, Рагхава ГП (май 2012 г.). «Предсказание субклеточной локализации тРНК синтетаз из их первичных структур». Аминокислоты . 42 (5): 1703–13. DOI : 10.1007 / s00726-011-0872-8 . PMID 21400228 . S2CID 2996097 .
- База данных AARS по прокариотам : Chaliotis, et al. (Февраль 2017 г.). «Сложная эволюционная история аминоацил-тРНК синтетаз» . Nucleic Acids Res . 45 (3): 1059–1068. DOI : 10.1093 / NAR / gkw1182 . PMC 5388404 . PMID 28180287 .
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Амино + ацил-тРНК + синтетазы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- Расположение человеческого гена AARS в браузере генома UCSC .
- Подробная информация о человеческих генах AARS в браузере генома UCSC .
