Передача РНК - Transfer RNA

Взаимодействие тРНК и мРНК в синтезе белка.
тРНК
Идентификаторы
Условное обозначение т
Рфам RF00005
Прочие данные
Тип РНК ген , тРНК
Структуры PDB PDBe 3icq, 1asy, 1asz, 1il2, 2tra, 3tra, 486d, 1fir, 1yfg, 3eph, 3epj, 3epk, 3epl, 1efw, 1c0a, 2ake, 2azx, 2dr2, 1f7u, 1f7v, 3foz, 2hg8j02, 2j00 , 2v46, 2v48, 2wdg, 2wdh, 2wdk, 2wdm, 2wh1

РНК передачи (сокращенно тРНК и ранее известный как рРНК , для рРНК ) представляет собой адаптер молекула состоит из РНК , как правило , от 76 до 90 нуклеотидов в длину (у эукариот), который служит в качестве физической линии связи между мРНК и аминокислоты последовательность белков. Трансферная РНК (тРНК) делает это, перенося аминокислоту в белковый синтетический аппарат клетки, называемой рибосомой . Комплементация 3-нуклеотидного кодона в информационной РНК (мРНК) 3-нуклеотидным антикодоном тРНК приводит к синтезу белка на основе кода мРНК. Таким образом, тРНК являются необходимым компонентом трансляции , биологического синтеза новых белков в соответствии с генетическим кодом .

Обзор

Хотя конкретная нуклеотидная последовательность мРНК определяет, какие аминокислоты включены в белковый продукт гена, из которого транскрибируется мРНК, роль тРНК состоит в том, чтобы указать, какая последовательность из генетического кода соответствует какой аминокислоте. МРНК кодирует белок как серию смежных кодонов, каждый из которых распознается определенной тРНК. Один конец тРНК соответствует генетическому коду в трехнуклеотидной последовательности, называемой антикодоном . Антикодон образует три комплементарные пары оснований с кодоном в мРНК во время биосинтеза белка.

На другом конце тРНК находится ковалентное присоединение к аминокислоте, соответствующей последовательности антикодона. Каждый тип молекулы тРНК может быть присоединен только к одному типу аминокислоты, поэтому каждый организм имеет много типов тРНК. Поскольку генетический код содержит несколько кодонов, которые определяют одну и ту же аминокислоту, существует несколько молекул тРНК, несущих разные антикодоны, которые несут одну и ту же аминокислоту.

Ковалентное присоединение к 3'-концу тРНК катализируется ферментами, называемыми аминоацил-тРНК-синтетазами . Во время синтеза белка тРНК с присоединенными аминокислотами доставляются к рибосоме с помощью белков, называемых факторами элонгации , которые способствуют ассоциации тРНК с рибосомой, синтезу нового полипептида и транслокации (перемещению) рибосомы вдоль мРНК. Если антикодон тРНК совпадает с мРНК, другая тРНК, уже связанная с рибосомой, переносит растущую полипептидную цепь со своего 3'-конца на аминокислоту, прикрепленную к 3'-концу вновь доставленной тРНК, реакция, катализируемая рибосомой. Большое количество отдельных нуклеотидов в молекуле тРНК может быть химически модифицировано , часто путем метилирования или дезамидирования . Эти необычные основания иногда влияют на взаимодействие тРНК с рибосомами, а иногда встречаются в антикодоне, изменяя свойства спаривания оснований.

Состав

Вторичная структура клеверного листа тРНК Phe дрожжей.
Третичная структура тРНК. Хвост CCA желтого цвета, ножка акцептора фиолетового цвета, переменная петля оранжевого цвета, плечо D красным цветом, рука Anticodon синим с черным Anticodon , плечо T зеленым.
Трехмерный анимированный GIF-файл, показывающий структуру фенилаланин-тРНК дрожжей (PDB ID 1ehz). Белые линии указывают на спаривание оснований водородными связями. В показанной ориентации акцепторный стержень находится сверху, а антикодон - снизу.

Структура тРНК может быть разложена на ее первичную структуру , ее вторичную структуру (обычно визуализируемую как структуру клеверного листа ) и ее третичную структуру (все тРНК имеют аналогичную L-образную трехмерную структуру, которая позволяет им вписываться в сайты P и A. из рибосомы ). Структура клеверного листа становится трехмерной L-образной структурой за счет коаксиального наложения спиралей, что является общим мотивом третичной структуры РНК . Длина каждого плеча, а также «диаметр» петли в молекуле тРНК варьируются от вида к виду. Структура тРНК состоит из следующего:

  • 5'-концевой фосфат группа.
  • Акцепторный стержень представляет собой стержень из 7-9 пар оснований (п.н.), образованный спариванием оснований 5'-концевого нуклеотида с 3'-концевым нуклеотидом (который содержит 3'-концевую группу CCA, используемую для присоединения аминогруппы). кислота). Обычно такие 3'-концевые тРНК-подобные структуры называют « геномными метками ». Акцепторный стержень может содержать пары оснований, отличные от Watson-Crick.
  • ССА хвост является цитозин -cytosine- аденина последовательности в 'конце молекулы тРНК 3. Аминокислота, загруженная на тРНК аминоацил-тРНК-синтетазами с образованием аминоацил-тРНК , ковалентно связана с 3'-гидроксильной группой на хвосте CCA. Эта последовательность важна для распознавания тРНК ферментами и важна для трансляции. У прокариот последовательность CCA транскрибируется в некоторых последовательностях тРНК. В большинстве прокариотических тРНК и эукариотических тРНК последовательность CCA добавляется во время процессинга и, следовательно, не появляется в гене тРНК.
  • D рычаг представляет собой от 4 до 6 пар оснований стебля заканчивается в цикле , который часто содержит дигидроуридин .
  • Плечо антикодона представляет собой ножку из 5 п.н., петля которой содержит антикодон . Первичная структура тРНК 5'-к-3 'содержит антикодон, но в обратном порядке, поскольку для чтения мРНК от 5'-к-3' требуется направленность 3'-к-5 '.
  • Т рука является 4 до 5 пар оснований, содержащего стволовые TΨC последовательности , где Ψ является псевдоуридином , модифицированный уридином .
  • Основания, которые были модифицированы, особенно путем метилирования (например, тРНК (гуанин-N7 -) - метилтрансфераза ), встречаются в нескольких положениях по всей тРНК. Первое антикодоновое основание или вобл-положение иногда модифицируют на инозин (производное от аденина), кевозин (производное от гуанина), уридин-5-оксиуксусную кислоту (производное от урацила), 5-метиламинометил-2-тиуридин (производное от урацил) или лизидин (производное цитозина).

Антикодон

Антикодоновую является единицей из трех нуклеотидов , соответствующих трем оснований с мРНК кодоном . Каждая тРНК имеет отличную последовательность триплета антикодона, которая может образовывать 3 комплементарных пары оснований только к одному кодону аминокислоты. Часто первый нуклеотид антикодона не обнаруживается на мРНК: инозин , который может связывать водородную связь с более чем одним основанием в соответствующем положении кодона. В генетическом коде одна аминокислота обычно определяется всеми четырьмя возможностями третьего положения или, по крайней мере, обоими пиримидинами и пуринами ; например, аминокислота глицин кодируется последовательностями кодонов GGU, GGC, GGA и GGG. Другие модифицированные нуклеотиды также могут появляться в первой позиции антикодона - иногда известной как «позиция колебания» - что приводит к незначительным изменениям генетического кода, как, например, в митохондриях . На клетку требуется 61 тип тРНК для обеспечения однозначного соответствия между молекулами тРНК и кодонами, которые определяют аминокислоты, поскольку существует 61 смысловой кодон стандартного генетического кода. Однако многие клетки имеют менее 61 типа тРНК, потому что основание колебания способно связываться с несколькими, хотя не обязательно со всеми, кодонами, которые определяют конкретную аминокислоту. По крайней мере, 31 тРНК требуется для однозначной трансляции всех 61 смыслового кодона.

Аминоацилирование

Аминоацилирование - это процесс добавления аминоацильной группы к соединению. Он ковалентно связывает аминокислоту с 3'-концом CCA молекулы тРНК. Каждая тРНК аминоацилируется (или заряжается ) определенной аминокислотой с помощью аминоацил тРНК синтетазы . Обычно существует одна аминоацил тРНК синтетаза для каждой аминокислоты, несмотря на то, что может быть более одной тРНК и более одного антикодона для аминокислоты. Распознавание подходящей тРНК синтетазами не опосредуется исключительно антикодоном, и акцепторный стержень часто играет важную роль. Реакция:

  1. аминокислота + АТФ → аминоацил-АМФ + PPi
  2. аминоацил-AMP + тРНК → аминоацил-тРНК + AMP

У некоторых организмов может отсутствовать одна или несколько аминофосфат-тРНК-синтетаз. Это приводит к зарядке тРНК химически родственной аминокислотой, и с помощью фермента или ферментов тРНК модифицируется для правильного заряда. Например, у Helicobacter pylori отсутствует глутамил-тРНК-синтетаза. Таким образом, глутамат-тРНК-синтетаза заряжает тРНК-глутамин (тРНК-Gln) глутаматом . Затем амидотрансфераза превращает кислотную боковую цепь глутамата в амид, образуя правильно заряженную gln-тРНК-Gln.

Вмешательство в аминоацилирование может быть полезным в качестве подхода к лечению некоторых заболеваний: раковые клетки могут быть относительно уязвимы к нарушенному аминоацилированию по сравнению со здоровыми клетками. Синтез белка, связанный с раком и вирусной биологией, часто очень зависит от конкретных молекул тРНК. Например, при раке печени заряд тРНК-Lys-CUU лизином поддерживает рост клеток рака печени и метастазирование, тогда как здоровые клетки имеют гораздо меньшую зависимость от этой тРНК для поддержания клеточной физиологии. Точно так же вирус гепатита E требует ландшафта тРНК, который существенно отличается от ландшафта неинфицированных клеток. Следовательно, ингибирование аминоацилирования определенных видов тРНК считается новым многообещающим путем для рационального лечения множества заболеваний.

Связывание с рибосомой

Диапазон конформаций, принимаемых тРНК, когда она проходит через A / T через сайты P / E на рибосоме. Приведены коды банка данных белка (PDB) для структурных моделей, используемых в качестве конечных точек анимации. Обе тРНК моделируются как фенилаланин-специфическая тРНК из Escherichia coli , с тРНК A / T в качестве модели гомологии депонированных координат. Цветовое кодирование, как показано для третичной структуры тРНК . Адаптировано из.

Рибосома имеет три сайты связывания для молекул тРНК , которые охватывают пространство между двумя субъединицами рибосом : при регистрации А (аминоацильных) , P (пептидил) и E (выход) сайты . Кроме того, рибосома имеет два других сайта для связывания тРНК, которые используются во время декодирования мРНК или во время инициации синтеза белка . Это Т-сайт (названный фактором удлинения Tu ) и I-сайт (инициация). Условно, сайты связывания тРНК обозначаются первым в списке малой субъединицы рибосомы и вторым сайтом большой рибосомной субъединицы . Например, сайт A часто пишется A / A, сайт P - P / P, а сайт E - E / E. Связывающие белки, такие как L27, L2, L14, L15, L16 в A- и P-сайтах, были определены AP Czernilofsky et al. ( Proc. Natl. Acad. Sci, США , стр. 230–234, 1974).

После завершения инициации трансляции первая аминоацил тРНК располагается в сайте P / P, готовая к циклу элонгации, описанному ниже. Во время удлинения трансляции тРНК сначала связывается с рибосомой как часть комплекса с фактором элонгации Tu ( EF-Tu ) или его эукариотическим ( eEF-1 ) или архейным аналогом. Этот начальный сайт связывания тРНК называется сайтом A / T. В сайте A / T половина A-сайта находится в небольшой субъединице рибосомы, где расположен сайт декодирования мРНК. Сайт декодирования мРНК - это место, где кодон мРНК считывается во время трансляции. Половина Т-сайта находится в основном на большой субъединице рибосомы, где EF-Tu или eEF-1 взаимодействует с рибосомой. После завершения декодирования мРНК аминоацил-тРНК связывается в сайте A / A и готова к образованию следующей пептидной связи с присоединенной к ней аминокислотой. Пептидил-тРНК, которая переносит растущий полипептид на аминоацил-тРНК, связанную в сайте A / A, связана в сайте P / P. После образования пептидной связи тРНК в сайте P / P ацилируется или имеет свободный 3'-конец , и тРНК в сайте A / A диссоциирует растущую полипептидную цепь. Чтобы обеспечить следующий цикл элонгации, тРНК затем перемещаются через сайты связывания гибридных A / P и P / E, прежде чем завершить цикл и находиться в сайтах P / P и E / E. Как только тРНК A / A и P / P переместились в сайты P / P и E / E, мРНК также переместилась на один кодон, и сайт A / T стал вакантным, готовым к следующему раунду декодирования мРНК. ТРНК, связанная с сайтом E / E, затем покидает рибосому.

Сайт P / I фактически первым связывается с аминоацил тРНК, которая доставляется в бактериях с помощью фактора инициации, называемого IF2 . Однако существование сайта P / I в рибосомах эукариот или архей еще не подтверждено. Белок P-сайта L27 был определен с помощью аффинного мечения E. Collatz и AP Czernilofsky ( FEBS Lett. , Vol. 63, pp. 283–286, 1976).

гены тРНК

Организмы различаются по количеству генов тРНК в геноме . Например, нематодный червь C. elegans , широко используемый модельный организм в генетических исследованиях, имеет 29 647 генов в ядерном геноме, из которых 620 кодируют тРНК. В геноме почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae имеется 275 генов тРНК.

В геноме человека, который, по оценкам января 2013 г., насчитывает около 20 848 генов, кодирующих белки, имеется 497 ядерных генов, кодирующих молекулы цитоплазматической тРНК, и 324 псевдогена, производных от тРНК - гена тРНК, которые, как считается, больше не функционируют (хотя и являются псевдогенными). Было показано, что тРНК участвуют в устойчивости бактерий к антибиотикам ). Также были идентифицированы участки в ядерных хромосомах , очень похожие по последовательности на гены митохондриальной тРНК (тРНК-двойники). Эти двойники тРНК также считаются частью ядерной митохондриальной ДНК (гены переносятся из митохондрий в ядро). Феномен множественных ядерных копий митохондриальной тРНК (тРНК-двойников) наблюдался у многих высших организмов от человека до опоссума, предполагая возможность того, что двойники являются функциональными.

Как и у всех эукариот, у человека имеется 22 гена митохондриальной тРНК. Мутации в некоторых из этих генов были связаны с тяжелыми заболеваниями, такими как синдром MELAS .

Гены цитоплазматической тРНК могут быть сгруппированы в 49 семейств в соответствии с их антикодонными характеристиками. Эти гены находятся на всех хромосомах, кроме 22-й и Y-хромосомы. Наблюдается высокая кластеризация на 6р (140 генов тРНК), а также на 1 хромосоме.

HGNC , в сотрудничестве с базой данных геномного тРНКа ( GtRNAdb ) и экспертами в этой области, одобрил уникальные имена для человеческих генов , которые кодируют тРНК.

Эволюция

Верхняя половина тРНК (состоящая из Т-плеча и акцепторного стержня с 5'-концевой фосфатной группой и 3'-концевой CCA-группой) и нижняя половина (состоящая из D-плеча и антикодонного плеча) являются независимыми единицами в структуре. а также в функции. Верхняя половина могла развиться первой, включая 3'-концевую геномную метку, которая изначально могла иметь помеченные тРНК-подобные молекулы для репликации в раннем мире РНК . Нижняя половина могла развиться позже как расширение, например, когда синтез белка начался в мире РНК и превратил его в мир рибонуклеопротеидов ( мир РНП ). Этот предложенный сценарий называется гипотезой геномных тегов . Фактически, тРНК и тРНК-подобные агрегаты имеют важное каталитическое влияние (т.е. как рибозимы ) на репликацию и сегодня. Эти роли можно рассматривать как « молекулярные (или химические) окаменелости » мира РНК.

Геномное содержание тРНК является отличительной особенностью геномов среди биологических сфер жизни: археи представляют собой простейшую ситуацию с точки зрения содержания геномной тРНК с равномерным числом копий генов, бактерии имеют промежуточную ситуацию, а эукарии представляют собой наиболее сложную ситуацию. Eukarya представляют не только большее содержание генов тРНК, чем два других царства, но также и высокую вариацию числа копий генов среди различных изоакцепторов, и эта сложность, по-видимому, связана с дупликациями генов тРНК и изменениями в специфичности антикодона.

Эволюция числа копий гена тРНК у разных видов была связана с появлением специфических ферментов модификации тРНК (уридинметилтрансферазы у бактерий и аденозиндезаминазы у эукарий), которые увеличивают способность декодирования данной тРНК. Например, тРНКAla кодирует четыре различных изоакцептора тРНК (AGC, UGC, GGC и CGC). У Eukarya изоакцепторы AGC чрезвычайно обогащены числом копий гена по сравнению с остальными изоакцепторами, и это коррелирует с его модификацией A-to-I его основания колебания. Эта же тенденция была продемонстрирована для большинства аминокислот эукариальных видов. Действительно, эффект этих двух модификаций тРНК также проявляется в систематической ошибке использования кодонов. Высокоэкспрессируемые гены, по-видимому, обогащены кодонами, которые используют исключительно кодоны, которые будут декодироваться этими модифицированными тРНК, что предполагает возможную роль этих кодонов - и, следовательно, этих модификаций тРНК - в эффективности трансляции.

фрагменты, происходящие от тРНК

Фрагменты, происходящие от тРНК (или tRF), представляют собой короткие молекулы, которые появляются после расщепления зрелых тРНК или транскрипта-предшественника. И цитоплазматические, и митохондриальные тРНК могут продуцировать фрагменты. Существует по крайней мере четыре структурных типа tRF, которые, как полагают, происходят из зрелых тРНК, включая относительно длинные половинки тРНК и короткие 5'-tRF, 3'-tRF и i-tRF. ТРНК-предшественник может быть расщеплен с образованием молекул из 5'-лидерной или 3'-концевой последовательности. Ферменты расщепления включают ангиогенин, дисер, РНКазу Z и РНКазу P. Особенно в случае ангиогенина tRF имеют характерно необычный циклический фосфат на своем 3'-конце и гидроксильную группу на 5'-конце. tRFs, по-видимому, играют роль в интерференции РНК , в частности, в подавлении ретровирусов и ретротранспозонов, которые используют тРНК в качестве праймера для репликации. ПолутРНК, расщепляемые ангиогенином , также известны как тиРНК. Биогенез более мелких фрагментов, в том числе тех, которые функционируют как piRNA , менее изучен.

tRFs имеют несколько зависимостей и ролей; такие как демонстрация значительных изменений между полами, расами и статусом болезни. Функционально они могут быть загружены на Ago и действовать через пути РНКи, участвовать в образовании стрессовых гранул, вытеснять мРНК из РНК-связывающих белков или ингибировать трансляцию. На системном или организменном уровне четыре типа tRF обладают разнообразным спектром активности. Функционально tRF связаны с вирусной инфекцией, раком, пролиферацией клеток, а также с эпигенетической трансгенерационной регуляцией метаболизма.

tRFs не ограничиваются людьми и, как было показано, существуют во многих организмах.

Два онлайн инструменты доступны для тех , кто хочет узнать больше о tRFs: рамки для интерактивного освоения ми tochondrial и п uclear т фрагментов РНК ( MINTbase ) и реляционной базы данных T ransfer R NA связанных F ragments ( tRFdb ). MINTbase также предоставляет схему именования для именования tRF, называемых tRF-номерными знаками (или MINTcodes), которая не зависит от генома; схема сжимает последовательность РНК в более короткую строку.

Сконструированные тРНК

Искусственные супрессорные тРНК-удлинители используются для включения неприродных аминокислот в бессмысленные кодоны, помещенные в кодирующую последовательность гена. Сконструированные инициаторные тРНК (тРНК fMet2 с антикодоном CUA, кодируемым геном metY ) были использованы для инициации трансляции на янтарном стоп-кодоне UAG. Этот тип сконструированной тРНК называется тРНК- супрессором нонсенс, потому что она подавляет сигнал остановки трансляции, который обычно возникает на кодонах UAG. Янтарная инициаторная тРНК вставляет метионин и глутамин в кодоны UAG, которым предшествует сильная последовательность Шайна-Дальгарно . Исследование янтарной тРНК инициатора показало, что она ортогональна обычному стартовому кодону AUG, не обнаруживая событий инициации трансляции вне мишени в геномно перекодированном штамме E. coli .

биогенез тРНК

В эукариотических клетках, тРНК транскрибируются с помощью РНК - полимеразы III , как пре-тРНК в ядре. РНК-полимераза III распознает две высококонсервативные нижестоящие промоторные последовательности: 5'-внутригенную контрольную область (5'-ICR, D-контрольную область или A-бокс) и 3'-ICR (T-контрольную область или B-бокс) внутри тРНК. гены. Первый промотор начинается на +8 зрелых тРНК, а второй промотор расположен на 30–60 нуклеотидов ниже первого промотора. Транскрипция заканчивается после отрезка из четырех или более тимидинов .

Мотив выпуклости-спирали-выпуклости интрона тРНК

Пре-тРНК претерпевают обширные модификации внутри ядра. Некоторые пре-тРНК содержат интроны , которые сплайсируются или разрезаются с образованием функциональной молекулы тРНК; у бактерий они самосплайсируются , тогда как у эукариот и архей они удаляются эндонуклеазами, способствующими сплайсингу тРНК . Эукариотическая пре-тРНК содержит мотив структуры выпуклость-спираль-выпуклость (BHB), который важен для распознавания и точного сплайсинга интрона тРНК эндонуклеазами. Положение и структура этого мотива эволюционно сохраняются. Однако некоторые организмы, такие как одноклеточные водоросли, имеют неканоническое положение BHB-мотива, а также 5'- и 3'-концы сплайсированной интронной последовательности. 5'-последовательность удаляется РНКазой P , тогда как 3'-конец удаляется ферментом тРНКаза Z. Заметным исключением является архея Nanoarchaeum equitans , которая не обладает ферментом РНКазы Р и имеет промотор, расположенный так, что транскрипция начинается на 5'-конце зрелой тРНК. Нестандартный 3'-CCA-хвост добавлен нуклеотидилтрансферазой . Прежде чем тРНК экспортируются в цитоплазму с помощью Los1 / Xpo-t , тРНК аминоацилируются . Порядок обработки событий не сохраняется. Например, у дрожжей сплайсинг осуществляется не в ядре, а на цитоплазматической стороне митохондриальных мембран.

Тем не менее, в марте 2021 года исследователи сообщили о доказательствах, свидетельствующих о том, что предварительной формой транспортной РНК могла быть репликаторная молекула на очень раннем этапе развития жизни или абиогенезе .

История

Существование тРНК было впервые высказано Фрэнсисом Криком , основываясь на предположении, что должна существовать адапторная молекула, способная опосредовать перевод алфавита РНК в алфавит белков. Пол К. Замечник и Махлон Хоугланд открыли тРНК. Значительное исследование структуры было проведено в начале 1960-х годов Алексом Ричем и Доном Каспаром , двумя исследователями из Бостона, группой Жака Фреско в Принстонском университете и группой из Великобритании в Королевском колледже Лондона . В 1965 году Роберт В. Холли из Корнельского университета сообщил о первичной структуре и предложил три вторичные структуры. тРНК была впервые кристаллизована в Мэдисоне, штат Висконсин, Робертом М. Боком. Структура клеверного листа была подтверждена несколькими другими исследованиями в последующие годы и окончательно подтверждена с помощью исследований рентгеновской кристаллографии в 1974 году. Две независимые группы, Ким Сон-Хоу, работающие под руководством Александра Рича, и британская группа, возглавляемая Аароном Клугом , опубликовали то же самое. результаты кристаллографии в течение года.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки