Почему AUG является кодоном инициации?

Хороший вопрос (если немного перепутать транскрипцию и перевод!)

AUG не всегда является стартовым кодоном, но каким бы ни был кодон, он всегда будет кодировать метионин (или fMet, но все же разновидность Met), даже если в противном случае кодон кодирует другую аминокислоту. Отдельная транспортная РНК (тРНКи, инициаторная тРНК) используется для организации этого первого шага под управлением eIF2 [у эукариот].

В этом отношении вопрос заключается не столько в том, «почему AUG», сколько в том, «почему эта специфическая инициаторная тРНК», ответ заключается в том, что она имеет определенные элементы последовательности и модификации, которые отличают ее от элонгирующих тРНК, которые связывают факторы элонгации и, следовательно, нацелены на рибосомную цепочку. Сайты A и B вместо сайта P рибосомы (с функцией, зависящей от формы, в основном он предназначен для запуска транскрипции, а не для удлинения существующего полипептида с растущей цепью).

«Элементы идентичности, по-видимому, точно настраивают структуру инициирующей тРНК, и появляется все больше свидетельств того, что тело тРНК участвует в передаче сигнала о том, что стартовый кодон был найден, остальной части прединициационного комплекса». - Колиц и Лорш, 2010 г.

Другие стартовые кодоны возникли просто в результате естественной химической вариации (или эволюции, как бы вы на это ни смотрели), дающей начало различным формам белков, распознающих кодоны.

Механизм запуска трансляции работает и как таковой "законсервирован" - эволюция сохранила его, и поэтому это всегда один и тот же кодон (более или менее). Археи имеют очень похожую форму акцепторного стержня тРНКи и являются столь же хорошим лигандом, что показывает, насколько древняя система, и дает представление о том, насколько сложно должно быть организму изменить подобную систему посредством мутации (3,5 миллиарда лет). эволюции не может ошибаться! и т. д. ха-ха).

Чтобы не замалчивать ту часть, где я сказал, что кодоны, отличные от AUG, тоже используются (в клетках дрожжей и млекопитающих), нижеследующее взято из исследования, в котором было обнаружено, что изменение 1 (и только 1) основания AUG все еще разрешено. инициация перевода:

«Естественно возникающее неправильное распознавание указывает на то, что различение двух почти родственных кодонов с парами оснований от идеального кодона AUG с тремя парами оснований подвержено ошибкам. Мутации в факторах инициации трансляции, таких как eIF1 и eIF2b, еще больше увеличивают количество этих ошибок.

Два взаимодействия спаривания оснований между кодонами, отличными от AUG, и антикодоном Met-tRNAi достаточны для запуска инициации трансляции, что указывает на то, что eIF1 дикого типа играет роль в мониторинге надлежащих взаимодействий спаривания оснований при сканировании стартового сайта AUG. Можно предположить, что Met-tRNAi, а не родственная тРНК, соответствующая отдельному кодону, отличному от AUG, используется в инициации трансляции на этих стартовых кодонах, отличных от AUG.

Комплекс инициации трансляции будет связываться только с Met-tRNAi, в отличие от других тРНК, потому что Met-tRNAi имеет уникальную последовательность и структурные особенности, которые позволяют ему загружаться на eIF2 тройного комплекса и позволяют ему вписываться в P-участок рибосомы. " — Мадузия и др . , 2010 г.

В основном консенсус заключается в том, что на самом деле невозможно сказать, почему метиониновый кодон, «это просто структурная вещь», что на самом деле является чем-то вроде кругового аргумента.

Из недавних эмпирических исследований (Wang et al., 2018) на эукариотах видно, что стартовые кодоны, отличные от AUG, в основном имеют контекстно-зависимую эффективность [инициации трансляции], в то время как AUG является «надежной вещью», т. е. окружающие его нуклеотиды мало влияют на его эффективность.

Этому есть несколько теоретических биохимических объяснений, которые я просто процитирую как есть:

Мы продемонстрировали, что кодоны, отличные от AUG, больше зависят от окружающей их нуклеотидной последовательности, чем кодоны AUG. Спаривание оснований между стартовым кодоном AUG и антикодоном инициирующей тРНК, а также взаимодействия между сканирующей рибосомой и нуклеотидами, окружающими стартовый кодон (например, взаимодействие между Arg55 эукариотического фактора инициации 2a и положением -3 [...]) вызывают переход комплекса преинициации из открытой конформации в закрытую конформацию, так что может произойти инициация трансляции. Большинство преинициаторных комплексов подвергаются инициации трансляции, когда они сталкиваются со стартовым кодоном AUG, независимо от того, является ли он эффективным или неэффективным контекстом, потому что сильное взаимодействие между кодоном и антикодоном обеспечивает достаточно энергии для управления конформационным сдвигом. Однако, несоответствия между стартовым кодоном, отличным от AUG, и антикодоном снижают энергию связывания кодона и антикодона. Следовательно, вклады взаимодействий между преинициаторным комплексом и «контекстными нуклеотидами», вероятно, становятся более значительными и необходимыми. Мы также показали, что контекст последовательности, особенно положение +4, по-разному влияет на эффективность каждого стартового кодона, отличного от AUG. Наблюдаемый дифференциальный эффект положения +4 демонстрирует, что свойства последовательности могут иметь кодон-специфические эффекты на эффективность TIS. Возможно, что существуют и другие свойства с кодон-специфическим эффектом. Кроме того, различия в этих свойствах между репортерами могут объяснить, почему некоторые предыдущие исследования идентифицировали GUG или ACG как наиболее эффективный стартовый кодон, отличный от AUG [...], в то время как другие согласуются с нашими выводами [...].

В документе также указано, что в некоторых крайних случаях (определенных последовательностях) последовательность, содержащая кодон, отличный от AUG, может быть «столь же эффективной, как» другая последовательность, содержащая AUG. (Из диаграммы мне кажется, что некоторые последовательности, отличные от AUG, имеют лучшую эффективность, чем некоторые последовательности AUG, но в документе это сформулировано как «не хуже».)

В любом случае, эта инверсия эффективности происходит только в некоторых определенных последовательностях. В среднем по всем последовательностям АУГ имеет наилучшую эффективность.

Если мы вернемся [еще дальше в эволюционное время] к прокариотам, аналогичное исследование всех потенциальных стартовых кодонов было проведено на E.coli в 2017 году . Картина немного другая в том смысле, что пока AUG пока впереди по эффективности, но вместе с GUG и UUG образует свой кластер, далеко впереди остальных.

Стандартное объяснение этого, которое я нашел в обзоре , состоит в том, что все AUG, GUG и UUG декодируются с помощью fMet-tRNAfMet. (Также дано в ответе здесь на основе более старого обзора.) На самом деле старый обзор предлагает немного больше информации:

AUG является наиболее распространенным кодоном-инициатором, поскольку он образует наиболее стабильное взаимодействие с антикодоном CAU в fMet-тРНК.

Конечно, в равной степени можно было бы спросить, как этот фермент эволюционировал вместе со стартовыми кодонами (которые он декодирует). Но я не нашел на него ответа. Я, наверное, задам это как отдельный вопрос.

Прежде всего, это кодирующая последовательность , открытая рамка считывания (ORF), а не ген, который начинается с AUG. Кроме того, на самом деле существует довольно много ORF, которые начинаются с разных кодонов инициации, это скорее исключения, чем норма.

Что касается необходимости, вы можете думать о кодонах START и STOP как о знаках препинания. AUG читается как первая (заглавная) буква предложения (если позволите немного растянуть определение пунктуации). Прочтите о процессе трансляции , рибосома прикрепится к молекуле мРНК, которая включает UTR , она использует кодон AUG как указание на то, что теперь она должна начать трансляцию.

UTR представляют собой нетранслируемые области и часто содержат регуляторные последовательности, которые могут контролировать трансляцию. Однако их не должно быть в конечном белковом продукте, поэтому клеточному механизму нужен способ узнать, где заканчивается UTR и начинается кодирующая последовательность.

Интерпретация вопроса

Здесь есть два вопроса. Вопрос об альтернативных стартовых кодонах соответствует действительности, и на него хорошо ответил Луи Мэддокс. Другой — эволюционный вопрос, который я бы переформулировал как

«Почему в качестве исходной аминокислоты был выбран метионин?»

Подобно Луи Мэддоксу, я бы сказал, что на этот вопрос почти невозможно ответить. Однако оказывается, что существует по крайней мере одна гипотеза, возможно, связанная с комментариями к ответу Мэддокса, поэтому я считаю полезным представить и обсудить ее.

Регуляторная гипотеза метионина как инициатора

Эта гипотеза была представлена ​​Бхаттачарья и Варшни в статье в RNA Biology (2016) . (Для доступа к полной версии может потребоваться личная или институциональная подписка.) Их аргумент можно резюмировать следующим образом:

• Метионин не играет роли в белках, которую не могли бы выполнять другие боковые цепи алифатических аминокислот, и является одной из самых редких аминокислот в белках.
• Синтез метионина имеет самую высокую метаболическую стоимость среди аминокислот.
• Синтез метионина (и N -формилметионина) зависит от одноуглеродного метаболизма.
• Следовательно, его принятие в качестве инициатора трансляции могло быть связано с тем, что синтез белка происходил только тогда, когда в клетке было достаточно энергии для одноуглеродного метаболизма и, как следствие, для самого синтеза белка.

• Кроме того, потребность в S -аденозилметионине для метилирования рРНК и некоторых тРНК представляет собой специфическое соединение с другими компонентами белкового синтеза.

  

[Синтез метионина — от Berg et al. , Раздел 24.2.7 ]

Комментарии

Трудность, с которой я лично столкнулся с этой гипотезой, заключается в том, что я ожидаю, что сначала разовьется механизм, а регуляция появится позже. Одним из возможных способов решения этой проблемы было бы замещение метионином аналогичной гидрофобной аминокислоты, такой как норлейцин, из раннего генетического кода, как это было предложено Alvarez-Carreño et al. . До этого можно было бы предположить, что инициация не происходила на определенном кодоне, как обсуждалось в связи с другим вопросом SE Biology .

[Формилирование метионина — от Berg et al. , рисунок 29.21 ]