Перевод (биология) - Translation (biology)

Обзор трансляции эукариотической информационной РНК
Диаграмма, показывающая трансляцию мРНК и синтез белков рибосомой
Стадии инициации и удлинения трансляции, наблюдаемые при увеличении азотистых оснований в РНК, рибосоме, тРНК и аминокислотах, с краткими пояснениями.
Три фазы инициации трансляции полимераза связывается с цепью ДНК и продвигается вперед, пока малая субъединица рибосомы не свяжется с ДНК. Удлинение начинается, когда прикрепляется большая субъединица, и завершение завершает процесс удлинения.

В области молекулярной биологии и генетики , перевод представляет собой процесс , в котором рибосомы в цитоплазме или эндоплазматический ретикулум синтезируют белки , после того, как процесс транскрипции в ДНК с РНК в клетки ядра . Весь процесс называется экспрессией генов .

При трансляции информационная РНК (мРНК) расшифровывается в рибосоме за пределами ядра с образованием определенной аминокислотной цепи или полипептида . Позднее полипептид сворачивается в активный белок и выполняет свои функции в клетке. В рибосомах облегчают декодирование путем индукции связывания комплементарной тРНК антикодоновой последовательности мРНК кодоны . ТРНК несут определенные аминокислоты, которые объединяются в полипептид, когда мРНК проходит и «считывается» рибосомой.

Перевод осуществляется в три этапа:

  1. Инициирование : рибосома собирается вокруг целевой мРНК. Первая тРНК прикрепляется к стартовому кодону .
  2. Удлинение : последняя тРНК, подтвержденная малой субъединицей рибосомы ( аккомодация ), переносит аминокислоту, которую она несет, к большой субъединице рибосомы, которая связывает ее с одной из ранее допущенных тРНК ( транспептидация ). Затем рибосома перемещается к следующему кодону мРНК, чтобы продолжить процесс ( транслокацию ), создавая аминокислотную цепь.
  3. Завершение : при достижении стоп-кодона рибосома высвобождает полипептид. Рибосомный комплекс остается неповрежденным и переходит к следующей мРНК для трансляции.

У прокариот (бактерий и архей) трансляция происходит в цитозоле, где большие и малые субъединицы рибосомы связываются с мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитоплазме или через мембрану эндоплазматического ретикулума в процессе, называемом ко-трансляционной транслокацией . При ко-трансляционной транслокации весь комплекс рибосома / мРНК связывается с внешней мембраной грубого эндоплазматического ретикулума (ER), и новый белок синтезируется и высвобождается в ER; Вновь созданный полипептид может храниться внутри ER для будущего транспорта и секреции везикул вне клетки или немедленно секретироваться.

Многие типы транскрибируемой РНК, такие как транспортная РНК, рибосомная РНК и малая ядерная РНК, не подвергаются трансляции в белки.

Ряд антибиотиков действуют путем ингибирования трансляции. К ним относятся анизомицин , циклогексимид , хлорамфеникол , тетрациклин , стрептомицин , эритромицин и пуромицин . Прокариотические рибосомы имеют структуру, отличную от эукариотических рибосом, и, таким образом, антибиотики могут специфически воздействовать на бактериальные инфекции без какого-либо вреда для эукариотических клеток- хозяев .

Основные механизмы

Рибосома, транслирующая белок, секретируемый в эндоплазматический ретикулум . тРНК окрашены в темно-синий цвет.
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.

Основной процесс производства белка - добавление одной аминокислоты в конец белка. Эта операция выполняется рибосомой . Рибосома состоит из двух субъединиц, маленькой субъединицы и большой субъединицы. Эти субъединицы объединяются перед трансляцией мРНК в белок, чтобы обеспечить место для осуществления трансляции и получения полипептида. Выбор типа добавляемой аминокислоты определяется молекулой мРНК . Каждая добавленная аминокислота соответствует трехнуклеотидной подпоследовательности мРНК. Для каждого такого возможного триплета принимается соответствующая аминокислота. Последовательные аминокислоты, добавленные к цепи, сопоставляются с последовательными триплетами нуклеотидов в мРНК. Таким образом, последовательность нуклеотидов в цепи матричной мРНК определяет последовательность аминокислот в созданной аминокислотной цепи. Добавление аминокислоты происходит на N-конце пептида, и, таким образом, говорят, что трансляция является направленной от карбоксильной группы к амино.

МРНК несет генетическую информацию, закодированную в виде рибонуклеотидной последовательности, от хромосом к рибосомам. Рибонуклеотиды «считываются» трансляционным аппаратом в последовательности триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Каждый из этих триплетов кодирует определенную аминокислоту .

В рибосомы молекулы перевести этот код в определенной последовательности аминокислот. Рибосома представляет собой мультисубъединичную структуру, содержащую рРНК и белки. Это «фабрика», где аминокислоты превращаются в белки. тРНК представляют собой небольшие некодирующие цепи РНК (74–93 нуклеотида), которые транспортируют аминокислоты к рибосоме. тРНК имеют сайт для присоединения аминокислот и сайт, называемый антикодоном. Антикодон представляет собой триплет РНК, комплементарный триплету мРНК, который кодирует их грузовую аминокислоту .

Аминоацил-тРНК-синтетазы ( ферменты ) катализируют связывание между конкретными тРНК и аминокислотами, которые требуются их антикодоновым последовательностям. Продуктом этой реакции является аминоацил-тРНК . У бактерий эта аминоацил-тРНК переносится на рибосому с помощью EF-Tu , где кодоны мРНК сопоставляются посредством комплементарного спаривания оснований со специфическими антикодонами тРНК . Аминоацил-тРНК-синтетазы, которые неправильно спаривают тРНК с неправильными аминокислотами, могут продуцировать неправильно заряженные аминоацил-тРНК, что может привести к несоответствующим аминокислотам в соответствующем положении в белке. Этот «неправильный перевод» генетического кода естественным образом происходит на низких уровнях у большинства организмов, но определенные клеточные среды вызывают увеличение разрешающего декодирования мРНК, иногда в пользу клетки.

Рибосома имеет два сайта связывания тРНК. Это аминоацильный сайт (сокращенно A), пептидильный сайт / сайт выхода (сокращенно P / E). Что касается мРНК, три сайта ориентированы от 5 'до 3' EPA, потому что рибосомы перемещаются к 3 'концу мРНК. А-сайт связывает входящий тРНК с комплементарным кодоном на мРНК. P / E-сайт содержит тРНК с растущей полипептидной цепью. Когда аминоацил-тРНК первоначально связывается со своим соответствующим кодоном на мРНК, она находится в сайте A. Затем между аминокислотой тРНК в сайте A и аминокислотой заряженной тРНК в сайте P / E образуется пептидная связь. Растущая полипептидная цепь переносится на тРНК в A-сайте. Происходит транслокация, перемещая тРНК в сайт P / E, теперь без аминокислоты; тРНК, которая была в сайте A, теперь заряженная полипептидной цепью, перемещается в сайт P / E, и тРНК уходит, а другая аминоацил-тРНК входит в сайт A, чтобы повторить процесс.

После добавления новой аминокислоты в цепь и после того, как тРНК высвобождается из рибосомы в цитозоль, энергия, обеспечиваемая гидролизом GTP, связанного с транслоказой EF-Gбактерий ) и a / eEF -2эукариот и архей ) перемещает рибосому на один кодон вниз к 3'-концу . Энергия, необходимая для трансляции белков, значительна. Для белка, содержащего n аминокислот, количество высокоэнергетических фосфатных связей, необходимых для его трансляции, равно 4 n -1. Скорость перевода варьируется; в прокариотических клетках он значительно выше (до 17–21 аминокислотных остатков в секунду), чем в эукариотических клетках (до 6–9 аминокислотных остатков в секунду).

Несмотря на то, что рибосомы обычно считаются точными и обрабатывающими машинами, процесс трансляции подвержен ошибкам, которые могут привести либо к синтезу ошибочных белков, либо к преждевременному прекращению трансляции. Уровень ошибки при синтезе белков оценивается как от 1/10 5 до 1/10 3 неправильно включенных аминокислот, в зависимости от условий эксперимента. Скорость преждевременного отказа от трансляции, напротив, оценивается порядка 10 -4 событий на транслируемый кодон. Правильная аминокислота ковалентно связана с правильной транспортной РНК (тРНК) аминоацилтрансферазами. Аминокислота присоединена своей карбоксильной группой к 3 'ОН тРНК сложноэфирной связью . Когда тРНК имеет связанную с ней аминокислоту, тРНК называют «заряженной». Инициация включает связывание небольшой субъединицы рибосомы с 5'-концом мРНК с помощью факторов инициации (IF). У бактерий и у меньшинства архей инициация синтеза белка включает распознавание богатой пуринами инициирующей последовательности на мРНК, называемой последовательностью Шайна-Делгарно. Последовательность Шайна-Делгарно связывается с комплементарной богатой пиримидином последовательностью на 3'-конце части 16S рРНК 30S субъединицы рибосомы. Связывание этих комплементарных последовательностей гарантирует, что 30S рибосомная субъединица связана с мРНК и выровнена так, что инициирующий кодон помещается в 30S часть P-сайта. Как только мРНК и 30S-субъединица правильно связаны, фактор инициации переносит комплекс инициаторная тРНК-аминокислота, f-Met-тРНК, в сайт 30SP. Фаза инициации завершается, когда субъединица 50S присоединяется к субъединице 30, образуя активную рибосому 70S. Терминация полипептида происходит, когда сайт A рибосомы занят стоп-кодоном (UAA, UAG или UGA) на мРНК. тРНК обычно не может распознавать или связываться со стоп-кодонами. Вместо этого стоп-кодон индуцирует связывание белка фактора высвобождения . (RF1 и RF2), который вызывает разборку всего комплекса рибосома / мРНК за счет гидролиза полипептидной цепи из пептидилтрансферазного центра рибосомных препаратов или специальных мотивов последовательности на мРНК, может изменить структуру рибосомы так, что близкородственные тРНК связаны со стоп-кодоном, а не с факторами высвобождения. В таких случаях «трансляционного чтения» трансляция продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон.

Процесс трансляции строго регулируется как у эукариот, так и у прокариотических организмов. Регуляция трансляции может влиять на общую скорость синтеза белка, которая тесно связана с метаболическим и пролиферативным состоянием клетки. Кроме того, недавняя работа показала, что генетические различия и их последующая экспрессия в виде мРНК также могут влиять на скорость трансляции РНК-специфическим образом.

Клиническое значение

Трансляционный контроль имеет решающее значение для развития и выживания рака . Раковые клетки должны часто регулировать фазу трансляции экспрессии генов, хотя не совсем понятно, почему трансляция нацелена на такие этапы, как транскрипция. В то время как раковые клетки часто имеют генетически измененные факторы трансляции, гораздо чаще раковые клетки изменяют уровни существующих факторов трансляции. Несколько основных онкогенных сигнальных путей, включая пути RAS – MAPK , PI3K / AKT / mTOR , MYC и WNT – β-catenin , в конечном итоге перепрограммируют геном посредством трансляции. Раковые клетки также контролируют трансляцию, чтобы адаптироваться к клеточному стрессу. Во время стресса клетка транслирует мРНК, которые могут смягчить стресс и способствовать выживанию. Примером этого является экспрессия AMPK при различных формах рака; его активация запускает каскад, который в конечном итоге может позволить раку избежать апоптоза (запрограммированной гибели клеток), вызванного недостатком питания. Будущие методы лечения рака могут включать нарушение механизма трансляции клетки, чтобы противодействовать последующим эффектам рака.

Математическое моделирование перевода

Рисунок M0. Базовая и простейшая модель синтеза белка M0 . Здесь * M - количество мРНК с сайтом инициации трансляции, не занятым сборкой рибосомы, * F - количество мРНК с сайтом инициации трансляции, занятым сборкой рибосомы, * R - количество рибосом, сидящих на мРНК, синтезирующих белки, * P - количество синтезированные белки.
Рисунок M1 '. Расширенная модель синтеза белка M1 с явным представлением связывания 40S, 60S и факторов инициации (IF).

Описание процесса транскрипции-перевода с упоминанием только самых основных «элементарных» процессов состоит из:

  1. производство молекул мРНК (включая сплайсинг),
  2. инициирование этих молекул с помощью факторов инициирования (например, инициирование может включать этап циркуляризации, хотя это не требуется повсеместно),
  3. инициация трансляции с привлечением малой субъединицы рибосомы,
  4. сборка полных рибосом,
  5. удлинение (т.е. движение рибосом вдоль мРНК с образованием белка),
  6. прекращение перевода,
  7. деградация молекул мРНК,
  8. деградация белков.

Процесс построения аминокислот для создания белка при трансляции долгое время являлся предметом различных физических моделей, начиная с первых детальных кинетических моделей, таких как или другие, с учетом стохастических аспектов трансляции и с использованием компьютерного моделирования. Многие модели синтеза белка, основанные на химической кинетике, были разработаны и проанализированы за последние четыре десятилетия. Помимо химической кинетики, для моделирования детальной кинетики синтеза белка или некоторых его стадий применялись различные формализмы моделирования, такие как полностью асимметричный простой процесс исключения (TASEP) , вероятностные булевы сети (PBN) , сети Петри и алгебра max-plus . Базовая модель синтеза белка, которая учитывала все восемь «элементарных» процессов, была разработана в соответствии с парадигмой, согласно которой «полезные модели просты и расширяемы». Простейшая модель M0 представлена ​​кинетическим механизмом реакции (рисунок M0). Он был обобщен, чтобы включить связывание 40S, 60S и факторов инициации (IF) (Рисунок M1 '). Он был расширен, чтобы включить влияние микроРНК на синтез белка. Большинство моделей в этой иерархии можно решить аналитически. Эти растворы были использованы для извлечения «кинетических сигнатур» различных специфических механизмов регуляции синтеза.

Генетический код

В то время как другие аспекты, такие как трехмерная структура, называемая третичной структурой , белка, могут быть предсказаны только с использованием сложных алгоритмов , аминокислотная последовательность, называемая первичной структурой , может быть определена исключительно из последовательности нуклеиновой кислоты с помощью таблицы трансляции .

Этот подход может не дать правильный аминокислотный состав белка, в частности, если нетрадиционные аминокислоты, такие как селеноцистеин , включены в белок, который кодируется обычным стоп-кодоном в сочетании с расположенной ниже шпилькой (последовательность вставки SElenoCysteine ​​или SECIS).

Существует множество компьютерных программ, способных переводить последовательность ДНК / РНК в последовательность белка. Обычно это выполняется с использованием стандартного генетического кода, однако немногие программы могут обрабатывать все «особые» случаи, такие как использование альтернативных кодонов инициации, которые являются биологически значимыми. Например, редкий альтернативный стартовый кодон CTG кодирует метионин, когда он используется в качестве стартового кодона, и лейцин во всех других положениях.

Пример: сокращенная таблица перевода для Стандартного генетического кода (с веб-страницы NCBI Taxonomy ).

 AAs    = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG
 Starts = ---M---------------M---------------M----------------------------
 Base1  = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG
 Base2  = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG
 Base3  = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

Строка «Starts» указывает три стартовых кодона, UUG, CUG и очень распространенный AUG. Он также указывает на первый аминокислотный остаток, если интерпретировать его как начало: в данном случае это весь метионин.

Таблицы перевода

Даже при работе с обычными эукариотическими последовательностями, такими как геном дрожжей , часто желательно иметь возможность использовать альтернативные таблицы трансляции, а именно для трансляции митохондриальных генов. В настоящее время следующие таблицы трансляции определены NCBI Taxonomy Group для трансляции последовательностей в GenBank :

  1. Стандартный код
  2. Позвоночный митохондриальный код
  3. Дрожжей митохондриальный код
  4. Плесени, простейшие и кишечнополостной митохондриальный код и микоплазма / код spiroplasma
  5. Беспозвоночное митохондриальный код
  6. Реснитчатые, dasycladacean и Hexamita ядерный код
  7. Код кинетопласта
  8. Иглокожих и митохондриальный код плоских червей
  9. Euplotid ядерный код
  10. Бактериальный, архейные и завод код пластид
  11. Альтернатива дрожжевой ядерный код
  12. Асцидии митохондриальный код
  13. Альтернативный червь митохондриальный код
  14. Blepharisma ядерный код
  15. Chlorophycean митохондриальный код
  16. Сосальщика митохондриальной код
  17. Зсепейезтиз косой митохондриальный код
  18. Thraustochytrium митохондриальный код
  19. Митохондриальный код перистожаберного
  20. Кандидат подразделение SR1 и gracilibacteria код
  21. В Pachysolen tannophilus ядерный код
  22. Karyorelict ядерный код
  23. Condylostoma ядерный код
  24. Mesodinium ядерный код
  25. Peritrich ядерный код
  26. Blastocrithidia ядерный код
  27. Митохондриальный код Cephalodiscidae

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Champe PC, Харви Р.А., Феррье Д.Р. (2004). Иллюстрированные обзоры Липпинкотта: биохимия (3-е изд.). Хагерствон, доктор медицины: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 0-7817-2265-9.
  • Кокс М., Нельсон Д.Р., Ленингер А.Л. (2005). Принципы биохимии Ленингера (4-е изд.). Сан-Франциско ...: WH Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
  • Малис Н., Маккарти Дж. Э. (март 2011 г.). «Инициирование перевода: можно ожидать вариаций в механизме». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 68 (6): 991–1003. DOI : 10.1007 / s00018-010-0588-z . PMID  21076851 . S2CID  31720000 .

внешние ссылки