Ribosomalt rammeskift - Ribosomal frameshift

Ribosomal rammeskift , også kjent som translasjonell rammeskift eller translasjonell omkoding , er et biologisk fenomen som oppstår under oversettelse som resulterer i produksjon av flere unike proteiner fra et enkelt mRNA . Prosessen kan programmeres av nukleotidsekvensen til mRNA og påvirkes noen ganger av den sekundære, tredimensjonale mRNA-strukturen . Det har blitt beskrevet hovedsakelig i virus (spesielt retrovirus ), retrotransposoner og bakterielle innsettingselementer, og også i noen cellulære gener.

Prosessoversikt

Proteiner blir oversatt ved å lese tri-nukleotider på mRNA-strengen, også kjent som kodoner , fra den ene enden av mRNA til den andre (fra 5 'til 3'-enden) med aminosyren metionin som start (initiering) kodon AUG. Hvert kodon blir oversatt til en enkelt aminosyre . Selve koden regnes som degenerert, noe som betyr at en bestemt aminosyre kan spesifiseres av mer enn ett kodon. Imidlertid vil et skifte av et hvilket som helst antall nukleotider som ikke er delelig med 3 i leserammen, resultere i at påfølgende kodoner leses annerledes. Dette endrer effektivt den ribosomale leserammen .

Setningseksempel

I dette eksemplet er følgende setning med ord på tre bokstaver fornuftig når den leses fra begynnelsen: 

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

Men hvis leserammen flyttes med en bokstav til mellom T og H i det første ordet (faktisk et +1 rammeskift når man anser 0 -stillingen som T -posisjonens opprinnelige posisjon ), 

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

da leser setningen annerledes, gir ingen mening.

DNA -eksempel

I dette eksemplet er følgende sekvens en region av det humane mitokondrielle genomet med de to overlappende genene MT-ATP8 og MT-ATP6 . Når de leses fra begynnelsen, gir disse kodonene mening for et ribosom og kan oversettes til aminosyrer (AA) under mitokondrialkoden for virveldyr : 

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

La oss imidlertid endre leserammen ved å starte ett nukleotid nedstrøms (effektivt et "+1 rammeskift" når vi vurderer 0 -stillingen som startposisjonen til 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    ...

På grunn av denne +1 rammeskiftingen blir DNA -sekvensen lest annerledes. Den forskjellige kodonleserammen gir derfor forskjellige aminosyrer.

Når det gjelder et translaterende ribosom, kan et rammeskift enten resultere i tull (et for tidlig stoppkodon) etter rammeskiftet, eller opprettelsen av et helt nytt protein etter rammeskiftet. I tilfelle der et rammeskift resulterer i tull, kan NMD - banen ( tullmediert mRNA-forfall ) ødelegge mRNA-transkripsjonen, så rammeskift vil tjene som en metode for å regulere ekspresjonsnivået til det assosierte genet.

Funksjon

I virus kan dette fenomenet være programmert til å forekomme på bestemte steder og lar viruset kode for flere typer proteiner fra det samme mRNA. Viktige eksempler inkluderer HIV-1 (humant immunsviktvirus), RSV ( Rous sarkomvirus ) og influensaviruset (influensa), som alle er avhengige av rammeskift for å skape et riktig forhold mellom 0-bilde (normal oversettelse) og "trans-frame" (kodet av rammeskiftet sekvens) proteiner. Bruken i virus er først og fremst for å komprimere mer genetisk informasjon til en kortere mengde genetisk materiale.

I eukaryoter ser det ut til å spille en rolle i regulering av genuttrykksnivåer ved å generere for tidlige stopp og produsere ikke -funksjonelle transkripsjoner.

Typer rammeskift

Den vanligste typen rammeskift er −1 rammeskift eller programmert −1 ribosomal rammeskift (−1 PRF) . Andre, sjeldnere typer rammeforskyvninger inkluderer +1 og −2 rammeforskyvning. −1 og +1 rammeforskyvning antas å være kontrollert av forskjellige mekanismer, som diskuteres nedenfor. Begge mekanismene er kinetisk drevne .

Programmert −1 ribosomal rammeskift

Image
Tandemglidning av 2 tRNA ved rous sarkomvirus glatt sekvens. Etter rammeskiftet er nye baseparringer riktige ved de første og andre nukleotidene, men feil ved svingningsposisjon. E , P og A -steder i ribosomet er angitt. Plassering av voksende polypeptidkjede er ikke angitt i bildet fordi det ennå ikke er enighet om hvorvidt -1-sklien oppstår før eller etter at polypeptid er overført fra P-sted tRNA til A-sted tRNA (i dette tilfellet fra Asn tRNA til Leu tRNA).

Ved -1 rammeskift glir ribosomet tilbake ett nukleotid og fortsetter oversettelsen i -1 -rammen. Det er vanligvis tre elementer som omfatter et -1 rammeskift -signal: en glatt sekvens , et mellomromsområde og en RNA -sekundærstruktur. Den glatte sekvensen passer til et X_XXY_YYH-motiv, hvor XXX er tre identiske nukleotider (selv om noen unntak forekommer), YYY representerer vanligvis UUU eller AAA, og H er A, C eller U. Fordi strukturen til dette motivet inneholder 2 tilstøtende 3-nukleotider gjentar det antas at −1 rammeskift er beskrevet av en tandemglidemodell, der det ribosomale P-stedet tRNA anticodon pares på nytt fra XXY til XXX og A-stedet anticodon re-par fra YYH til YYY samtidig. Disse nye sammenkoblingene er identiske med 0-rammeparringene bortsett fra i deres tredje posisjon. Denne forskjellen misliker ikke signifikant antikodonbinding fordi det tredje nukleotidet i et kodon, kjent som wobble -posisjonen , har svakere tRNA anticodon -bindingsspesifisitet enn det første og andre nukleotidene. I denne modellen forklares motivstrukturen med det faktum at den første og andre posisjonen til antikodonene må være i stand til å parre perfekt i både 0 og -1 rammene. Derfor må nukleotidene 2 og 1 være identiske, og nukleotidene 3 og 2 må også være identiske, noe som fører til en nødvendig sekvens på 3 identiske nukleotider for hvert tRNA som glir.

+1 ribosomal rammeskift

Image
+1 rammeskift skjer som ribosom og P-sted tRNA pause for å vente på ankomst av sjeldent arginin tRNA. A-stedskodonet i den nye rammen kobles til antikodon av mer vanlig glycin-tRNA, og oversettelsen fortsetter.

Den glatte sekvensen for et +1 rammeskift -signal har ikke det samme motivet, og ser i stedet ut til å fungere ved å sette ribosomet på pause ved en sekvens som koder for en sjelden aminosyre. Ribosomer oversetter ikke proteiner med jevn hastighet, uavhengig av sekvensen. Enkelte kodoner tar lengre tid å oversette, fordi det ikke er like store mengder tRNA av det bestemte kodonet i cytosolen . På grunn av denne forsinkelsen eksisterer det i små deler av kodonsekvenser som styrer hastigheten på ribosomal rammeskift. Spesielt må ribosomet pause for å vente på ankomst av et sjeldent tRNA, og dette øker den kinetiske gunstigheten til ribosomet og dets tilhørende tRNA som glir inn i den nye rammen. I denne modellen er endringen i leserammen forårsaket av en enkelt tRNA -glid i stedet for to.

Kontrollmekanismer

Ribosomal rammeskift kan kontrolleres av mekanismer som finnes i mRNA-sekvensen (cis-virkende). Dette refererer generelt til en glatt sekvens, en RNA -sekundærstruktur eller begge deler. Et −1 rammeskift -signal består av begge elementene atskilt med et mellomromsområde som vanligvis er 5-9 nukleotider langt. Framskift kan også induseres av andre molekyler som interagerer med ribosomet eller mRNA (transvirkende).

Framskift signalelementer

Image
Dette er en grafisk fremstilling av HIV1 -rammeskift -signalet. Et -1 rammeskift i det glatte sekvensområdet resulterer i oversettelse av pol i stedet for gagproteinkodende region, eller åpen leseramme (ORF). Både gag- og pol -proteiner kreves for revers transkriptase, noe som er avgjørende for HIV1 -replikasjon.

Glatt sekvens

Glatte sekvenser kan potensielt få leseribosomet til å "gli" og hoppe over et antall nukleotider (vanligvis bare 1) og lese en helt annen ramme deretter. Ved programmert -1 ribosomal rammeforskyvning passer den glatte sekvensen til et X_XXY_YYH -motiv, hvor XXX er tre identiske nukleotider (selv om noen unntak forekommer), YYY representerer vanligvis UUU eller AAA, og H er A, C eller U. Ved + 1 rammeforskyvning, inneholder den glatte sekvensen kodoner som det tilsvarende tRNA er mer sjeldent for, og rammeskiftet foretrekkes fordi kodonet i den nye rammen har et mer vanlig assosiert tRNA. Et eksempel på en glatt sekvens er polyA på mRNA, som er kjent for å indusere ribosomglidning selv i fravær av andre elementer.

RNA sekundær struktur

Effektiv ribosomal rammeskifting krever generelt tilstedeværelse av en RNA -sekundærstruktur for å forbedre effekten av den glatte sekvensen. RNA-strukturen (som kan være en stamme-sløyfe eller pseudoknot ) antas å stoppe ribosomet på det glatte stedet under oversettelse, og tvinge det til å flytte og fortsette replikasjonen fra -1-stillingen. Det antas at dette skjer fordi strukturen fysisk blokkerer bevegelsen av ribosomet ved å sette seg fast i ribosom -mRNA -tunnelen. Denne modellen støttes av det faktum at styrken til pseudoknoten ikke er positivt korrelert med nivået på rammeskift for assosiert mRNA.

Nedenfor er eksempler på forutsagte sekundære strukturer for rammeskiftelementer vist for å stimulere rammeskift i en rekke organismer. Flertallet av strukturene som vises er stamme-sløyfer, med unntak av pseudoknot-strukturen ALIL (apical loop-internal loop). I disse bildene representerer de større og ufullstendige sirklene av mRNA lineære regioner. De sekundære "stamme-sløyfe" -strukturene, der "stilker" dannes av et område med mRNA-baseparring med et annet område på samme streng, er vist som stikker ut fra det lineære DNA. Det lineære området for HIV -ribosomalt rammeskift -signal inneholder en svært konservert UUU UUU A glatt sekvens; mange av de andre forutsagte strukturene inneholder også kandidater til glatte sekvenser.

MRNA -sekvensene i bildene kan leses i henhold til et sett med retningslinjer. Selv om A, T, C og G representerer et bestemt nukleotid i en posisjon, er det også bokstaver som representerer tvetydighet som brukes når mer enn én type nukleotid kan forekomme i den posisjonen. Reglene for International Union of Pure and Applied Chemistry ( IUPAC ) er som følger:

Symbol Beskrivelse Baser representert Komplement
EN En denine EN 1 T
C C ytosine C G
G G uanine G C
T T hymin T EN
U U racil U EN
W W EAK EN T 2 W
S S trong C G S
M en M ino EN C K
K K eto G T M
R pu R ine EN G Y
Y p Y rimidine C T R
B ikke A ( B kommer etter A) C G T 3 V
D ikke C ( D kommer etter C) EN G T H
H ikke G ( H kommer etter G) EN C T D
V ikke T ( V kommer etter T og U) EN C G B
N en hvilken som helst N ucleotide (ikke et gap) EN C G T 4 N
Z Z ero 0 Z

Disse symbolene er også gyldige for RNA, bortsett fra at U (uracil) erstatter T (tymin).

Framskiftelementer
Type Fordeling Ref.
ALIL pseudoknot Bakterie
Antizym RNA rammeskiftende stimuleringselement Virvelløse dyr
Coronavirus rammeskiftende stimuleringselement Koronavirus
DnaX ribosomalt rammeskiftelement Eukaryota , bakterier
HIV -ribosomalt rammeskift -signal Virus
Innsettingsrekkefølge IS1222 ribosomalt rammeskiftelement Eukaryota , bakterier
Ribosomalt rammeskift Virus

Transvirkende elementer

Små molekyler, proteiner og nukleinsyrer har vist seg å stimulere nivåene av rammeskift. For eksempel er mekanismen for en negativ tilbakekoblingssløyfe i polyaminesyntesebanen basert på polyaminnivåer som stimulerer en økning i +1 rammeskift, noe som resulterer i produksjon av et hemmende enzym. Enkelte proteiner som er nødvendige for kodongjenkjenning eller som binder direkte til mRNA -sekvensen, har også vist seg å modulere rammeforskyvningsnivåer. MicroRNA (miRNA) molekyler kan hybridisere til en RNA sekundær struktur og påvirke dens styrke.

Se også

Referanser

Eksterne linker