Что препятствует связыванию неаминоацилированной тРНК с мРНК на рибосоме и нарушению синтеза белка?

Короткий ответ

Кодон-направленное неферментативное связывание тРНК (аминоацилированной или нет) с А-сайтом рибосомы намного слабее, чем (нормальное) связывание аминоацил-тРНК в комплексе с EF-Tu/EF-1, тРНК-связывание фактор элонгации (который дискриминирует неаминоацилированную тРНК). Следовательно, он не может эффективно конкурировать с последними, чтобы нарушить синтез белка.

Объяснение

Стадии биосинтеза белка, имеющие отношение к этому вопросу, показаны ниже.

На стадии 1 тРНК аминоацилируются родственной им аминокислотой в реакции, катализируемой специфической аминоацил-тРНК-синтетазой.

На 2-й стадии аминоацилированные тРНК (кроме инициаторной тРНК) распознаются одним фактором элонгации (EF-Tu у прокариот, EF-1 у эукариот) и образуют комплекс с ним и GTP. Фактор элонгации не будет образовывать комплекс с неаминоацилированной (также называемой «деацилированной») тРНК, и было показано , что это вызвано структурными отличиями от аминоацилированной тРНК. Последнее имеет особое отношение к данному вопросу и будет более подробно обсуждаться ниже.

На стадии 3 этот комплекс связывается с А-сайтом рибосомы кодон-специфическим образом. Однако важно понимать силу взаимодействия между фактором элонгации и А-участком рибосомы по сравнению только с взаимодействием тРНК-антикодон. Последнее, конечно, необходимо для точного синтеза белка, но его можно рассматривать как средство предотвращения (или, точнее, задержки) диссоциации комплекса.

Основа дискриминации неаминоацилированной тРНК

Дискриминация происходит на этапе связывания по EF-Tu/EF-1. Что известно о его структурной основе? Это, по-видимому, не просто узнавание аминокислоты, а косвенное влияние на структуру тРНК и ее распознавание с помощью EF-Tu, как обсуждается в статье 1996 года Орхусской группы, в которой разъяснялась структура аминоацил - тРНК . Комплекс .ЭФ-Ту . Я цитирую:

Деацилированная тРНК связывается с EF-Tu-GTP с аффинностью, которая примерно на четыре-пять порядков ниже, чем у аа-тРНК. Таким образом, аминоацильная группа является первичным дискриминатором в тройном комплексообразовании. Объяснить это только прямыми взаимодействиями только с аминоацильной группой невозможно. Другие структурные особенности аа-тРНК должны способствовать аффинности.
Давно проводились исследования конформационных изменений тРНК при аминоацилировании. Флуоресцентные исследования… показали, что конформационные изменения происходят при аминоацилировании, хотя и по-разному среди отдельных акцепторов.

Обсуждается одно точное структурное различие:

Видно, что аминоацилирование тРНК значительно ограничивает конформационное пространство концевой А76. По сравнению с кристаллической структурой тройного комплекса остатки от A73 до C75 деацилированной тРНК-Phe (код записи в PDB 4TNA) находятся в эквивалентной конформации, хотя и немного смещены в своем положении относительно акцепторной спирали. Однако концевой остаток А76 в деацилированной тРНК принимает конформацию, невозможную в фенилаланилированной форме (рис. 7).

[Неацилированная свободная тРНК ^Phe (слева) и ацилированная Phe-тРНК ^Phe тройного комплекса (справа)]

Видно, что остатки 73–76 находятся вблизи 3'-конца тРНК, к которому присоединен фенилаланин (Phe).

Эволюционная перспектива

Одна из них предполагает, что в синтезе примитивного белка не участвовали факторы элонгации. Было бы важно предотвратить непродуктивное связывание неаминоацилированной тРНК с рибосомой и конкуренцию с аминоацилированной тРНК, постулируемую в вопросе. Первым шагом к этому могла быть эволюция А-сайта рибосомы, который мог различать структуры аминоацилированной и неаминоацилированной тРНК. Разработка фактора элонгации, связывающего тРНК, а также повышение эффективности процесса усилили бы эту дискриминацию, которая находится в диапазоне 10-200x , в зависимости от концентрации ионов магния (которые искусственно усиливают связывание неаминоацилированной тРНК). .

Было показано, что у некоторых бактерий незаряженные тРНК связываются с рибосомой. На самом деле, это связывание отвечает за «жесткий ответ» — механизм, сигнализирующий о том, что в клетке не хватает аминокислот ^1,2 .

Из Райны и Иббы (2014):

RelA представляет собой ассоциированную с рибосомой (p)ppGpp-синтазу, которая обнаруживает присутствие незаряженных тРНК, которые накапливаются в сайте рибосомы A в результате ограничения количества аминокислот. Присутствие незаряженной тРНК действует как эффекторная молекула, останавливая синтез белка и активируя RelA, который затем синтезирует pppGpp и ppGpp путем фосфорилирования GTP или GDP с использованием АТФ в качестве донора фосфата (Haseltine and Block, 1973; Sy and Lipmann, 1973).

Аналогичный механизм был предложен для работы у эукариот ^1,3,4 .

Опять же, из того же раздела Райна и Ибба (2014):

Было высказано предположение, что различение заряженной и незаряженной тРНК с помощью Gcn2p происходит с помощью аналогичного механизма активации белка RelA, наблюдаемого в E. coli, за счет присутствия незаряженной тРНК в месте декодирования (А) на транслирующих рибосомах. Активация Gcn2p незаряженной тРНК требует ее ассоциации с рибосомой через ее C-концевую область, а также взаимодействия между N-концом Gcn2p и белковым комплексом Gcn1p-Gcn20p, который также связан с рибосомой.

И, из последнего абзаца обсуждения в Dong et. др. (2000):

Ранее мы утверждали, что незаряженные тРНК, связанные с сайтом декодирования (А) рибосомы и спаренные с их родственными кодонами в мРНК, активируют GCN2 (15).

Использованная литература:

1. Райна, М., и Ибба, М. (2014). тРНК как регуляторы биологических процессов. Границы генетики, 5, 171.

2. Хазелтин, В.А., и Блок, Р. (1973). Для синтеза гуанозинтетра- и пентафосфатов необходимо присутствие кодон-специфичной, незаряженной транспортной рибонуклеиновой кислоты в акцепторном участке рибосом. Труды Национальной академии наук, 70 (5), 1564–1568.

3. Донг, Дж., Цю, Х., Гарсия-Баррио, М., Андерсон, Дж., и Хиннебуш, А.Г. (2000). Незаряженная тРНК активирует GCN2 путем вытеснения фрагмента протеинкиназы из двусоставного тРНК-связывающего домена. Молекулярная ячейка, 6(2), 269-279.

4. Рамирес, МАНУЭЛЬ, Век, Р.К. и Хиннебуш, А.Г. (1991). Рибосомная ассоциация протеинкиназы GCN2, активатора трансляции гена GCN4 Saccharomyces cerevisiae. Молекулярная и клеточная биология, 11(6), 3027-3036.