Отсутствие пространственных структур облегчает синтез белков

Механизм распознавания рибосомой (выделена синим цветом) стартового кодона AUG в отсутствие Шайна-Дальгарно последовательности. Стартовый AUG кодон (зеленый) отличается от всех других триплетов AUG (выделены красным цветом) на однонитевоей РНК своей неструктурированной областью информационной РНК (черные линии).

Представьте, что вы читаете текст где между словами нет пробелов, читать такой текст будет очень сложно, так как не легко определить где заканчивается одно слово и начинается другое. В случае с кодом ДНК, когда с нее синтезируется РНК и затем с последней, рибосомы синтезируют полипептидную цепь, — ферменты так же находятся в аналогичной сложной ситуации. Они должны найти правильную отправную точку для синтеза белка. И действительно, в организме прокариотов (организмов без ядра), существует точка отсчета – последовательность нуклеотидных пар расположенных рядом со стартовым кодоном, с которой ферменты образуют наиболее устойчивую связь. Это помогает им найти отправную точку для себя. Но тем не менее, к удивлению ученых, существуют гены, которые не имеют этой стартовой последовательности, но при этом также надежно транслируются в  белковые последовательности. Ученые из Института Макса Планка молекулярной физиологии растений в Потсдаме (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam), обнаружили, что сама пространственная структура РНК, вероятно, играет решающую роль в этом процессе.

ДНК всех организмов состоит из четырех оснований: аденина, цитозина, тимина и гуанина, которые сокращенно в английской транскрипции обозначаются буквами A, T, С и G. В РНК тимин заменен на другое основание — урацил (U). С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали». ДНК читается в виде не отдельных пар нуклиотидов а в виде триплетов – три пары нуклиотидов кодирующие в общей сложности 20 аминокислот – биологических кирпичиков всей жизни на земле. Эти триплеты сопоставимы с буквами в нашем алфавите, которые можно поставить вместе, чтобы сформировать слова. Поскольку между триплетами ДНК нет пустых пространств, в этом и заключается главная сложность распознавания, с какой пары оснований нужно начать чтение триплетами. Например, при расшифровке генома используется метод трехкратного чтения каждой цепочки ДНК сдвигаясь при каждом варианте дешифровки на одн нуклеотид, итого для двух цепочек получается 6 вариантов прочтения из которых ученые выбирают те которые в конечном итоге являются осмысленными – т.е. в которых прослеживается структурные образования, как то: гены, интроны, экзоны, стартовые кодоны и стоп-кодоны, а так же регуляторные последовательности.

Прежде чем белки могут быть синтезированы, ДНК транскрибируется в свою форму матричной (информационной) РНК (мРНК), после чего мРНК транспортируется в плазму клетки. Далее рибосомы, считывают код с мРНК и участвуют в месте с транспортными РНК (тРНК) в создании белковых цепочек, которые затем при помощи энзимов преобретают свою конечную трехмерную форму.

Рибосомы начинают считывание мРНК ни в самом начале цепочки ни в каком либо случайном месте, но всегда с стартового триплета AUG.
Этот триплет кодирует аминокислоту метионин, которая таким образом, представляет собой первую аминокислоту в каждом белке. Тем не менее, метионин так же может появиться и в других местах белковой цепочки . Таким образом, возникает вопрос о том, как рибосомы узнают AUG кодирует старт синтеза белка или просто кодирует метионин.
С целью распознавания метионина и стартового кодона прокариотам приходит на помощь так называемая последовательность Шайна-Дальгарно (англ. Shine-Dalgarno sequence, Shine-Dalgarno box) которая была описана австралийскими учеными Джоном Шайном и Линн Дальгарно и является сайтом связывания рибосом на молекуле мРНК прокариот, обычно на расстоянии около 10 нуклеотидов до стартового кодона AUG.
.Последовательность SD является последовательностью сайта мРНК , который остается практически неизменным на протяжении длительного периода эволюции.
Рибосомы имеют анти-Шайн-Дальгарно последовательности, которые могут образовывать прочную связь с последовательностью SD. Кoмплементарное взаимодействие между последовательностями Шайна-Дальгарно и анти-Шайна-Дальгарно служит для помещения старт-кодона мРНК в P-сайт рибосомы для начала биосинтеза белка. Тем не менее, существуют мРНК, которые не имеют Шайн-Дальгарно последовательности, их рибосомы, тем не менее все равно удается разыскать правильный триплет AUG.

До настоящего времения механизм, который позволяет правильно определить стартовый сигнал был совершенно непонятен.

По последним данным, структура — или, точнее отсутствие структуры — мРНК оказывается решающим фактором в этой игре. Ларс Шарф (Lars Scharff) и Лиам Чайлдс (Liam Childs) из Института Макса Планка молекулярной физиологии растений в Потсдаме (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam) рассмотрели десятки тысяч генов из разных прокариот и клеточных органелл на наличие Шайн-Дальгарно последовательности. Они обнаружили, что, в зависимости от организма, от 15 до 50 процентов всех генов не имеют SD последовательности. И тот факт что тем не менее рибосомы легко узнают стартовый кодон на этих мРНК, вероятно следует отнести к тому, что структура мРНК сама предоставляет легкий доступ к такому сайту, в отличии от других где AUG должна транслироваться в метионин. мРНК, как правило, не присутствует в виде длинной нити как часто она изображается в учебниках, — на самом деле она образует петли и так называемые структурные шпильки.

Механизм распознавания рибосомой (выделена синим цветом) стартового кодона AUG в отсутствие Шайна-Дальгарно последовательности. Стартовый AUG кодон (зеленый) отличается от всех других триплетов AUG (выделены красным цветом) на однонитевоей РНК своей неструктурированной областью информационной РНК (черные линии).

В результате исследований оказалось что рибосомы могут связываться только с неструктурированной областью мРНК: "В отличие от генов с Шайн-Дальгарно последовательностью в  мРНК где Шайн-Дельгарно последовательность отсутствует рядом со стартовый кодоном не наблюдается ни каких двухмерных или трехмерных структур " – так прокомментировал это открытие участник исследования Чайлдс.
В эксперименте, исследователи ввели мутацию гена — они уничтожили SD последовательность, и скорость, с которой мРНК была транслетированна в  белок резко сократилась. «Как только мы вставили вторую мутацию, которая развернула структуру мРНК непосредственно в месте нахождения стартового кодона, этот эффект был уменьшен и производство белка вновь возросло», объясняет Чайлдс. Несмотря на отсутствие последовательности SD, AUG – стартовый кодон был определен рибосомой, так как она могла получить доступ к сайту где находился стартовый кодон, в отличии от предыдущего опыта где доступ к кодону был осложнет так как он был скрыт в струкрурных образованиях.

Теперь на основе структурного анализа мРНК, можно будет прогнозировать скорость синтеза белка. Кроме того, теперь появляются возможности влиять на количество производимого белка путем изменения структуры мРНК в том или ином направлении. Это открытие может стать важным шагом для оптимизации многих биотехнологических процессов, что в свою очередь может привести к уменьшению стоимости многих лекарств синтезируемых сегодня при помощи бактерий и дрожжей в биореакторах.

По материалам оригинальной статьи www.sciencedaily.com/releases/2011/06/110628094839.htm



Самые маленькие обручальные кольца построены из ДНК

13 апреля 2011

Графен и ДНК объединили в детектор веществ

3 сентября 2010

Биологи нашли древний РНК-механизм

17 августа 2010

Квантовая запутанность обернулась клеем для ДНК

14 июля 2010

Объяснена роль РНК в формировании памяти

28 декабря 2009
  • Удалить  12 декабря, 14:05
    Отличный поданный материал. Спасибо.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  12 декабря, 14:25
    Да вот правда сказали что не тянет на главную страницу так как новость полугодовой давности — хотя я считаю что это фундаментальные исследования и новизной тут можно назвать то, что перевода на русский язык этих исследований ранее не было — т.е. с этой точки зрения это новостное событие. Это же не запуск космической ракеты т.е. не событийная новость..
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  15 декабря, 12:08
    «ДНК всех организмов состоит из четырех оснований: аденина, цитозина, тимина и гуанина, которые сокращенно в английской транскрипции обозначаются буквами A, T, С и G. В РНК тимин заменен на другое основание — урацил (U).»
    Это неверно.У РНК все нуклеотиды другие, свой стандартный набор + нестандартные, как инозин.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  15 декабря, 12:33
    Да ну, не подскажите ли какие тогда в РНК нуклеотиды?
    И как они комплементарны A, T, C, G в ДНК?
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  15 декабря, 18:36
    Подскажу. Буквы те же, нуклеотиды разные. В РНК они содержат рибозу, в ДНК — дезоксирибозу. А комплементарны к ним еще целая куча нестандартных нуклеотидов.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  16 декабря, 07:14
    Ну это общеизвестный факт, это же содержится в НАЗВАНИИ ДНК Диокси рибоНуклеиновая Кислота и  РНК — Рибо Нуклеиновая Кислота.
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  15 декабря, 12:20
    Схема какая-то прибацанная, нереальная. Шпильки такие просто нечитаемы, там азотистые основания завязаны друг на друга. Рибосома тоже какая то условная, не разделенная на 2 субчастицы. Процессинг белка даже не обозначен.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  15 декабря, 12:28
    Ну бы блин даете рибосома состоит из не менее чем 50 белков и mnRNA — вам их что все в схеме указать?
    Шпильки образованы слабыми водородными связями. Именно так и выглядит RNA схематично.
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  15 декабря, 18:48
    Причем здесь белки? Она состоит из двух субчастиц, вот так — img-fotki.yandex.ru/get/6002/nanoworld.20b/0_48d30_b584e08f_orig.gif .
    Шпильки, разумеется, образованы слабыми водородными связями, но они то должны быть свободными для соединения с тРНК, несущей соответствующую аминокислоту в комплексе с АРС и АТФ. Иначе, трансляция белка не состоится.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  16 декабря, 07:35
    C вами все ясно.... по вашему из чего состоят эти две части? Из белков и  snRNA..

    Eukaryotes have 80S ribosomes, each consisting of a small (40S) and large (60S) subunit. Their large subunit is composed of a 5S RNA (120 nucleotides), a 28S RNA (4700 nucleotides), a 5.8S subunit (160 nucleotides) and ~49 proteins. The 40S subunit has a 1900 nucleotide (18S) RNA and ~33 proteins.[9]The identification of the tRNA-Binding Sites on Rat Liver Ribosomes by Affinity Labeling was performed by A.P. Czernilofsky et al. 1977, several proteins including L32/33, L36, L21, L23, L28/29 and L13

    Вам на схеме все надо было указать?

    Что касается RNA — то она не образует трехмерных структур только в прокариотах так как процесс трансляции начинается непосредственно вместе с синтезом RNA. В эукариотах — RNA всегда имеет пространственную структуру замкнутую саму на себя, а так же часто имеет связи с специальными защищающими от энзимной деградации белками. В цитоплазме имеются соответствующие энзимы что бы расщеплять двухцепочную RNA для непосредственной трансляции рибосомами...

    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  16 декабря, 08:57
    В рибосомах соотношение, как видите, RNA и белков примерно 1:1
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  16 декабря, 10:15
    Николай Кляшторный, при чем всё это? Я вам сказал, что схема ненаглядна и неработоспособна. Не требуется показывать белки, нужно нарисовать схему, чтобы процесс был понятен. Вы же нарисовали кучу шпилек на РНК, где трансляция белка идти не может.
    А разговор шел, между прочим, о стартовом кодоне.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  16 декабря, 14:22
    Ну так как пояснительная схема вполне годится — зачем там указывать что рибосома состоит из двух частей, или рисовать полипептидную цепочку, или tRNA и т.д. Шпильки затрудняют трансляцию но не приводят к ее остановке — РНК эукариот в большинстве своем примерно так и выглядит.

    https://www.google.com/search?pq=rna+3d+structure&hl=ru&cp=1&gs_id=4&xhr=t&q=rna+3d+structure&newwindow=1&gs_sm=&gs_upl=&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.,cf.osb&biw=1440&bih=749&um=1&ie=UTF-8&tbm=isch&source=og&sa=N&tab=wi&ei=dBvrTs_XNcWZiQKrna2HBA

    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  16 декабря, 19:14
    Ну вы даете! Речь идет о мРНК, которая от тРНК и других сильно отличается по пространственной конфигурации. Функция у неё другая.
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  17 декабря, 11:14
    Ну там был набор картинок рассчитанный на людей в теме — что знатоки отделял зерна от плевел (mRNA от прочих RNA) :)
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  16 декабря, 19:41
    -- образование изгибов за счёт комплементарности — контролируется системой входа в контакт двух частей рибосомы. Природа не оставит такой важный момент на самотёк ..там просто большая зависимость от самих условий р=трансляции.. Что-то вы не так восприняли. ` In addition to AUG, alternative start codons, mainly GUG and UUG are used in prokaryotes. For example E. coli uses 83% ATG (AUG), 14% GTG (GUG), 3% TTG (UUG) and one or two others (e.g., ATT and CTG)` .. Другое дело что нашли необязательность СД области, но, поверьте мне, в тех рибосомах есть и другие «ключи старта» ,а не просто пространственная свобода мРНК..
    ОтветитьНравится
  • Николай Кляшторный  16 декабря, 21:37
    Вполне возможно, процесс этот не простой, возможных механизмов реализации существует несколько.
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  17 декабря, 10:49
    В принципе, для эффективного протекания процесса трансляции требуется малоизогнутая мРНК, но есть специфические моменты, когда изогнутость требуется. Например, для того, чтобы вставить селеноцистеин, который кодируется тем же кодоном, что и цистеин, на РНК в определенном месте есть небольшая шпилька, которая препятствует входу тРНК с цистеином, но не является преградой для тРНК с селеноцистеином.
    ОтветитьНравится