Могут ли рибосомы читать оцДНК?

Резюме

РНК-мессенджеры, которые привлекаются к рибосоме для синтеза белка in vivo , должны удовлетворять определенным структурным требованиям и должны взаимодействовать с факторами инициации белка, которые доставляют их на рибосому. Генетическая одноцепочечная ДНК (оцДНК) не имеет этих структурных характеристик и поэтому не может транслироваться на рибосомах в естественных условиях.

Единственная описанная попытка трансляции аналогов этих мРНК на основе дезоксирибозы в условиях, эквивалентных условиям внутри клетки, не увенчалась успехом. Т.о., хотя эксперименты показывают, что одноцепочечная ДНК может быть способна связывать транспортную РНК и обеспечивать некоторый синтез полипептидов в нефизиологических условиях, это отражает только те аспекты биосинтеза белка, которые включают взаимодействия спаривания оснований между сигнальной и др. РНК, участвующими в трансляции. Напротив, этапы, связанные с выбором первого кодона инициации и распознаванием кодонов терминации, включают взаимодействие между белковыми факторами и сигналом, где распознавание гидроксильной группы во 2'-положении (и различение между тимином и урацилом) вполне может произойти и предотвратит трансляцию синтетического сообщения оцДНК.

Если на самом деле никакой дискриминации ДНК в отношении рибосомных и транспортных РНК-компонентов аппарата трансляции не произошло, то это может быть связано с тем, что система возникла в «мире РНК» до того, как развилась ДНК, и потому, что свободная одноцепочечная ДНК в клетке никогда не был конкурентом мРНК для рибосом, особенно после того, как появились сложные системы на основе белков для выбора подходящего кодона инициации.

Современные физиологические взаимодействия мРНК с рибосомами

Трансляция мРНК рибосомами (биосинтез белка) представляет собой сложный процесс, который можно разделить на ряд стадий, каждая из которых обычно включает различные молекулы РНК и белков — факторы инициации (IF), факторы элонгации (EF) и факторы терминации или высвобождения. (РФ). Читателю, не знакомому с этим, рекомендуется прочитать отчет из учебника, например, в главе 29 книги Berg et al.. Однако, если кратко суммировать, это: выбор правильной AUG (обычно) на мРНК для инициации, IF-зависимое связывание инициаторной тРНК с P-сайтом, EF-зависимое и кодон-направленное связывание элонгаторной тРНК. , образование пептидной связи, катализируемое большой рибосомной субъединицей, EF-зависимая транслокация и, в конечном итоге, стоп-кодон-направленное и RF-зависимое высвобождение завершенной полипептидной цепи.

Первый шаг имеет решающее значение для связывания природных мРНК — предмет этого вопроса. В естественных клеточных условиях у прокариот и эукариот есть разные методы обеспечения того, чтобы рибосома взаимодействовала с правильным кодоном мРНК для начала трансляции. У прокариот специфический сигнал связывания рибосомы ( последовательность Шайна и Далгарно ) должен взаимодействовать с 16S рРНК, и на этом этапе участвует конкретный белок фактора инициации. У эукариот основным методом является распознавание модифицированной 5'-структуры мРНК и раскручивание вторичной структуры, также модулируемое факторами инициации белка.

Мне известно одно сообщение о попытке транслировать ДНК-аналог таких природных структур мРНК в любых условиях. Это было сделано Damian et al. (Biochim. Biophys. Res. Commun 385, 296-301 (2009)) и не увенчались успехом, хотя физические методы указывали на связывание с рибосомой. Я предполагаю, что распознавание факторами инициации белков не происходило, но я не уверен, что спаривание оснований с 16S рРНК также было затруднено.

Тем не менее, можно ответить на поставленный вопрос:

Тот факт, что у «случайной» одноцепочечной ДНК отсутствовали бы структурные особенности для выбора правильного кодона инициации, объясняет, почему она не транслировалась бы в естественных условиях — она не могла связываться с рибосомой.

Искусственные системы синтеза белка

Полные подробности реакций на рибосоме выявлялись постепенно. Тем не менее непонимание особенностей природной мРНК, необходимой для связывания с рибосомой, не помешало ни расчленению последующих стадий биосинтеза белка, ни использованию рибосомных систем для расшифровки генетического кода. Это связано с тем, что можно было обойти начальные этапы, используя подходящие нефизиологические условия, которые позволяли полинуклеотидам или триплетам олигонуклеотидов связываться с рибосомой, где были возможны дальнейшие реакции, хотя обычно менее эффективно, чем в клетке. К таким условиям относились высокие концентрации ионов магния и некоторые антибиотики, влияющие на точность синтеза белка. Было высказано предположение, что нейтрализация заряда фосфатов основной цепи РНК с помощью Mg²⁺ усиливает (неспецифические гидрофобные взаимодействия в канале связывания мРНК, и что антибиотики стабилизируют состояние рибосомы, в котором аминоацил-тРНК может связываться легче (и, следовательно, способствует связыванию полинуклеотидов путем спаривания оснований). связанные с кодонами, связанными водородными связями с родственными антикодонами тРНК, последующие реакции элонгации зависели от компонентов рибосомы, отличных от искусственного мессенджера.

Таким образом, генетический код расшифровывался с помощью бактериальных бесклеточных систем, к которым добавлялись простые синтетические полинуклеотиды, лишенные последовательностей Шайна и Далгарно или стартовых (или стоповых) кодонов; и экспериментами, в которых аминоацил-тРНК были связаны с триплетными кодонами в отсутствие как IFs, так и EFs. Другие парциальные реакции белкового синтеза были аналогичным образом искусственно препарированы — пептидилтрансферазная реакция изучалась на изолированных 50S субъединицах с использованием только фрагмента тРНК и пуромицина путем проведения реакции в 50% этаноле!

Эксперименты с одноцепочечной ДНК

Понимая, что рибосомы можно индуцировать для связывания и трансляции «не-мРНК» олиго-рибонуклеотидов при определенных искусственных условиях, мы можем оценить значение сообщений о трансляции олиго-дезоксирибонуклеотидов — одноцепочечной ДНК.

Первоначальные эксперименты в этой области, проведенные Маккарти и Холландом в 1965 году, показали, что денатурированная ДНК из различных источников (включая клетки животных) может стимулировать включение радиоактивных аминокислот в бактериальную бесклеточную систему, но это зависит от присутствия антибиотиков. Кроме того, в лаборатории Кораны было показано , что активны только определенные синтетические полидезоксинуклеотиды (аналогичные полирибонуклеотидам, которые он использовал для расшифровки генетического кода). Таким образом, оказывается, что в нефизиологических условиях, способствующих беспорядочному связыванию поли- и олиго-рибонуклеотидов, происходит некоторое связывание одноцепочечной ДНК и последующая трансляция.

В статье Рикера и Каджи , упомянутой @Mesentery, сообщается, что олигодезоксинуклеотиды могут функционировать в некоторых частичных реакциях (связывание fmet-тРНК), но не в других. В частности, было невозможно провести RF-зависимую реакцию терминации с олигонуклеотидами, содержащими кодоны терминации, но — в присутствии антибиотиков — терминация, независимая от факторов высвобождения , происходила .

Таким образом, очевидно, что эти эксперименты с трансляцией одноцепочечной ДНК на рибосомах не имеют физиологического значения. Однако все же уместно задать вопрос плакату, почему система вообще работает?

Почему дезоксирибоза (и тимин) не подвергается дискриминации в искусственных условиях?

Ферменты синтеза и деградации нуклеиновых кислот — РНК- и ДНК-полимеразы; рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы — специфичны либо для РНК, либо для ДНК (или, в некоторых случаях, для гибридов ДНК/РНК). Это важно как для обеспечения выполнения ими своих специфических функций, так и, возможно, является неизбежным следствием характера их реакций — образования или разрыва сахаро-фосфатных связей. Здесь мы имеем дело с катализом белковым ферментом, который связывает эти структуры в своем активном центре.

Напротив, те реакции синтеза белка, для которых определенные требования могут быть ослаблены в нефизиологических условиях, включают взаимодействия спаривания оснований.. В современных рибосомах они могут быть оптимизированы ассоциированными белками, но считается, что последние появились позже. Искусственные условия, такие как высокие концентрации ионов магния или антибиотиков, можно рассматривать как обеспечивающие необходимые взаимодействия, существовавшие в «ур-рибосомах». И, конечно, поскольку гибриды ДНК/РНК легко образуются, участие ДНК в таких взаимодействиях не так уж удивительно. (В мире РНК «ур-рибосом» — или даже в мире РНК/белков — не было бы необходимости различать ДНК, потому что она еще не возникла. И с химической точки зрения замена гидроксильной группы водородом могла бы не препятствовать взаимодействию — в худшем случае это только ослабит его.)

Характерно, что современные реакции AUG-селекции и терминации зависят от РНК-белкового взаимодействия. Они вполне могут включать в себя распознавание рибозы, а также последовательности оснований, что объясняет наблюдения Рикера и Каджи, а также Дамиана и др. , упомянутое выше.

Мой вопрос заключается в том, может ли трансляция осуществляться естественным или искусственным путем непосредственно через считывание рибосомой (одноцепочечной) ДНК.

Рибосомы участвуют в трансляции мРНК в белки. См. статью в Википедии для получения дополнительной информации

Если нет, я хотел бы знать, что позволяет транслировать оцРНК, а оцДНК нет.

«Если нет» не имеет смысла, потому что ответ «да» или «нет» на первый вопрос на самом деле не имеет ничего общего со вторым вопросом.

ssRNA и ssDNA относятся к генетическому материалу некоторых вирусов. Я не думаю, что в большинстве случаев мы используем термины оцДНК и оцРНК для обозначения вируса, который осуществляет обратную транскрипцию РНК в ДНК, поэтому ваш вопрос неясен и сбивает с толку.

Некоторые вирусы осуществляют обратную транскрипцию РНК в ДНК. Они делают это с помощью обратной транскриптазы .

Что я хочу знать по второму вопросу, так это то, какие структурные или химические характеристики позволяют читать РНК, но не ДНК.

О, кажется, я понял ваш вопрос...

Двухцепочечная ДНК точно не может быть транслирована рибосомой. Я предполагаю, что оцДНК в конечном итоге может поместиться в рибосоме (или слегка модифицированной), однако тРНК должна быть адаптирована к использованию, Tа не U. Я не молекулярный биолог и больше ничего не могу сказать.

Я хочу знать, как ДНК, в которой отсутствует 2-гидроксильная группа, и использование тимина вместо урацила делает ее нечитаемой для рибосомы.

Я не знаю, так ли это, а если и так, то я не знаю, почему! Извините, я не могу больше помочь!