Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Frameshift )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Рибосомный сдвиг рамки , также известный как трансляционный сдвиг рамки или трансляционное перекодирование , - это биологический феномен, который возникает во время трансляции, что приводит к производству множества уникальных белков из одной мРНК . [1] Процесс может быть запрограммирован нуклеотидной последовательностью мРНК и иногда зависит от вторичной трехмерной структуры мРНК . [2] Он был описан в основном в вирусах (особенно ретровирусах ), ретротранспозонах и бактериальных вставных элементах, а также в некоторых клеточных генах. [3]

Обзор процесса [ править ]

Белки транслируются путем считывания тринуклеотидов на цепи мРНК, также известных как кодоны , от одного конца мРНК к другому (от 5 'до 3' конца), начиная с аминокислоты метионина в качестве начала (инициация). кодон UAG. Каждый кодон переводится в одну аминокислоту . Сам код считается вырожденным, что означает, что конкретная аминокислота определяется своим соответствующим кодоном. Следовательно, сдвиг любого числа нуклеотидов, которое не делится на 3 в рамке считывания, приведет к тому, что последующие кодоны будут считываться по-разному. [4] Это эффективно изменяет рамку считывания рибосом .

Пример предложения [ править ]

В этом примере следующее предложение со словами из трех букв имеет смысл при чтении с начала:

| Начало | T HE CAT И ЧЕЛОВЕК жирны ...| Начало | 123 123 123 123 123 123 123 123 ...

Однако, если рамка считывания сдвинута на одну букву между T и H первого слова (фактически сдвиг кадра +1, если рассматривать позицию 0 как начальную позицию T ),

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

тогда предложение читается иначе, не имея смысла.

Пример ДНК [ править ]

В этом примере следующая последовательность представляет собой область митохондриального генома человека с двумя перекрывающимися генами MT-ATP8 и MT-ATP6 . При чтении с самого начала эти кодоны имеют смысл для рибосомы и могут быть переведены в аминокислоты (АА) под митохондриальным кодом позвоночных :

| Начало | A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...| Начало | 123 123 123 123 123 123 123 123 ...| AA | НЕНЛФАС ...

Однако давайте изменим рамку считывания, запустив один нуклеотид ниже по течению (фактически «сдвиг рамки +1», если рассматривать позицию 0 как начальную позицию A ):

A | Начало | ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA ...- | Начало | 123 123 123 123 123 123 12 ... | AA | TKICSL ...

Теперь из-за сдвига кадра на +1 последовательность ДНК читается по-другому. Следовательно, разные рамки считывания кодонов дают разные аминокислоты.

В случае трансляции рибосомы сдвиг рамки может привести либо к бессмыслице (преждевременный стоп-кодон) после сдвига рамки, либо к созданию совершенно нового белка после сдвига рамки. В случае, когда сдвиг рамки приводит к бессмыслице, путь NMD ( nonsense-опосредованный распад мРНК ) может разрушить транскрипт мРНК, поэтому сдвиг рамки может служить методом регулирования уровня экспрессии связанного гена. [5]

Функция [ править ]

В вирусах это явление может быть запрограммировано на то, чтобы возникать в определенных местах, и позволяет вирусу кодировать несколько типов белков из одной и той же мРНК. Известные примеры включают ВИЧ-1 (вирус иммунодефицита человека) [6] RSV ( вирус саркомы Рауса ) [7] и вирус гриппа (грипп) [8], которые все полагаются на сдвиг рамки для создания надлежащего соотношения 0-рамки ( нормальная трансляция) и «транскадровые» (кодируемые последовательностью со сдвигом рамки считывания) белков. Его использование в вирусах в первую очередь предназначено для сжатия большего количества генетической информации в меньший объем генетического материала.

У эукариот он, по-видимому, играет роль в регуляции уровней экспрессии генов, генерируя преждевременные остановки и производя нефункциональные транскрипты. [3] [9]

Типы сдвига кадра [ править ]

Наиболее распространенный тип сдвига рамки - -1 сдвиг рамки или запрограммированный -1 рибосомный сдвиг рамки (-1 PRF) . Другие, более редкие типы сдвига кадра включают сдвиг кадра +1 и -2. [2] Считается, что сдвиг кадра -1 и +1 управляется разными механизмами, которые обсуждаются ниже. Оба механизма приводятся в действие кинетически .

Запрограммированный -1 рибосомный сдвиг рамки [ править ]

Тандемное проскальзывание 2 тРНК на скользкой последовательности вируса саркомы Рауса. После сдвига рамки считывания новые пары оснований правильны в первом и втором нуклеотидах, но неверны в положении вобуляции. Указаны участки рибосомы E , P и A. Расположение растущей полипептидной цепи не указано на изображении, потому что еще нет единого мнения о том, происходит ли проскальзывание -1 до или после переноса полипептида с тРНК P-сайта на тРНК A-сайта (в данном случае от тРНК Asn к тРНК Leu тРНК). [7]

При сдвиге -1 кадра рибосома сдвигается на один нуклеотид назад и продолжает трансляцию в кадре -1. Обычно есть три элемента, которые составляют сигнал сдвига кадра -1: скользкая последовательность , спейсерная область и вторичная структура РНК.Скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX - любые три идентичных нуклеотида (хотя бывают некоторые исключения), YYY обычно представляет UUU или AAA, а H - A, C или U. Поскольку структура этого мотива содержит 2 смежных 3-нуклеотида. Повторы полагают, что сдвиг рамки -1 описывается тандемной моделью проскальзывания, в которой рибосомный антикодон тРНК P-сайта восстанавливает пары с XXY на XXX, а антикодон A-сайта восстанавливает пары с YYH на YYY одновременно. Эти новые пары идентичны парам с нулевым кадром, за исключением их третьих позиций. Это различие не оказывает существенного неблагоприятного воздействия на связывание антикодона, поскольку третий нуклеотид в кодоне, известный как положение вобуляции , имеет более слабую антикодонную специфичность связывания тРНК, чем первый и второй нуклеотиды. [2] [10]В этой модели структура мотива объясняется тем фактом, что первая и вторая позиции антикодонов должны иметь возможность идеально сочетаться как в 0, так и в -1 кадрах. Следовательно, нуклеотиды 2 и 1 должны быть идентичными, а нуклеотиды 3 и 2 также должны быть идентичными, что приводит к требуемой последовательности из 3 идентичных нуклеотидов для каждой скользящей тРНК. [11]

+1 рибосомальный сдвиг рамки [ править ]

+1 сдвиг рамки считывания происходит, когда рибосома и тРНК Р-участка останавливаются в ожидании прибытия редкой тРНК аргинина. Кодон A-сайта в новой рамке спаривается с антикодоном более распространенной тРНК глицина, и трансляция продолжается. [12]

Скользкая последовательность для сигнала сдвига рамки +1 не имеет такого же мотива, и вместо этого, по-видимому, действует путем приостановки рибосомы в последовательности, кодирующей редкую аминокислоту. [12] Рибосомы не переводят белки с постоянной скоростью, независимо от последовательности. Некоторым кодонам требуется больше времени для трансляции, потому что в цитозоле нет равных количеств тРНК этого конкретного кодона . [13] Из-за этого запаздывания существуют небольшие участки последовательностей кодонов, которые контролируют скорость сдвига рамки рибосом. В частности, рибосома должна остановиться, чтобы дождаться прибытия редкой тРНК, и это увеличивает кинетическую благоприятность рибосомы и связанной с ней тРНК, скользящей в новый каркас. [12] [14] В этой модели изменение рамки считывания вызвано одним проскальзыванием тРНК, а не двумя.

Механизмы управления [ править ]

Рибосомный сдвиг рамки считывания может контролироваться механизмами, обнаруженными в последовательности мРНК (цис-действие). Обычно это относится к скользкой последовательности, вторичной структуре РНК или к тому и другому. Сигнал сдвига рамки -1 состоит из обоих элементов, разделенных спейсерной областью, как правило, длиной 5-9 нуклеотидов. [2] Сдвиг рамки также может быть вызван другими молекулами, которые взаимодействуют с рибосомой или мРНК (транс-действующие).

Элементы сигнала сдвига кадра [ править ]

Это графическое представление сигнала сдвига рамки HIV1. Сдвиг рамки -1 в области скользкой последовательности приводит к трансляции pol вместо области, кодирующей белок gag , или открытой рамки считывания (ORF). Белки gag и pol необходимы для обратной транскриптазы, которая необходима для репликации ВИЧ1. [6]

Скользкая последовательность [ править ]

Скользкие последовательности потенциально могут заставить считывающую рибосому «проскальзывать» и пропускать ряд нуклеотидов (обычно только 1) и после этого считывать совершенно другой кадр. При запрограммированном сдвиге рамки рибосомы -1 скользкая последовательность соответствует мотиву X_XXY_YYH, где XXX - любые три идентичных нуклеотида (хотя бывают некоторые исключения), YYY обычно представляет UUU или AAA, а H - A, C или U. В случае + 1 со сдвигом рамки считывания скользкая последовательность содержит кодоны, для которых соответствующая тРНК встречается реже, и сдвиг рамки считывания предпочтителен, потому что кодон в новой рамке имеет более общую ассоциированную тРНК. [12] Одним из примеров скользкой последовательности является полиА на мРНК, которая, как известно, вызывает проскальзывание рибосом даже в отсутствие каких-либо других элементов.[15]

Вторичная структура РНК [ править ]

Эффективный сдвиг рамки рибосом обычно требует наличия вторичной структуры РНК для усиления эффектов скользкой последовательности. [11] Считается, что структура РНК (которая может быть стержневой петлей или псевдоузлом ) приостанавливает рибосому на скользком участке во время трансляции, заставляя ее перемещаться и продолжать репликацию из положения -1. Считается, что это происходит потому, что структура физически блокирует движение рибосомы, застревая в туннеле мРНК рибосомы. [2] Эта модель подтверждается тем фактом, что сила псевдоузла положительно коррелировала с уровнем сдвига рамки для связанной мРНК. [3] [16]

Ниже приведены примеры предполагаемых вторичных структур для элементов сдвига рамки, которые, как показано, стимулируют сдвиг рамки у различных организмов. Большинство показанных структур представляют собой стержневые петли, за исключением структуры псевдоузла ALIL (апикальная петля-внутренняя петля). На этих изображениях большие и неполные круги мРНК представляют линейные области. Вторичные структуры «стебель-петля», где «стебли» образованы областью спаривания оснований мРНК с другой областью на той же цепи, показаны выступающими из линейной ДНК. Линейная область сигнала сдвига рамки считывания рибосом ВИЧ содержит высококонсервативную скользящую последовательность UUU UUU A; многие другие предсказанные структуры также содержат кандидатов на скользкие последовательности.

Последовательности мРНК на изображениях можно прочитать в соответствии с набором рекомендаций. Хотя A, T, C и G обозначают конкретный нуклеотид в позиции, есть также буквы, которые обозначают неоднозначность, которые используются, когда в этом положении может встречаться более одного вида нуклеотидов. Правила Международного союза теоретической и прикладной химии ( IUPAC ) следующие: [17]

Символ [17]ОписаниеПредставленные базыДополнение
АДенинА1Т
CC ytosineCграмм
граммG uanineграммC
ТT hymineТА
UU racilUА
WW ЕАКАТ2W
SS ЧонгCграммS
MМ иноАCK
KK etoграммТM
рпу R инеАграммY
Yp Y римидинCТр
Bне A ( B идет после A)CграммТ3V
Dне C ( D идет после C)АграммТЧАС
ЧАСне G ( H идет после G)АCТD
Vне T ( V идет после T и U)АCграммB
Nлюбой N ucleotide (не пробел)АCграммТ4N
ZZ ero0Z

Эти символы также действительны для РНК, за исключением того, что U (урацил) заменяет T (тимин). [17]

Элементы Frameshift
ТипРаспределениеRef.
Псевдоузел ALILБактерии[18]
Элемент стимуляции сдвига рамки считывания антизимной РНКБеспозвоночные[19]
Элемент стимуляции сдвига кадра коронавирусаКоронавирус[20]
Рибосомальный элемент сдвига рамки DnaXЭукариоты , бактерии[21]
Сигнал сдвига рамки рибосомы ВИЧВирусы
Последовательность вставки рибосомального элемента сдвига рамки IS1222Эукариоты , бактерии
Рибосомный сдвиг рамкиВирусы

Транс-действующие элементы [ править ]

Было обнаружено, что небольшие молекулы, белки и нуклеиновые кислоты стимулируют уровни сдвига рамки. Например, механизм отрицательной обратной связи в пути синтеза полиамина основан на уровнях полиамина, стимулирующих увеличение сдвига рамки на +1, что приводит к выработке ингибирующего фермента. Было также показано, что определенные белки, которые необходимы для распознавания кодонов или которые непосредственно связываются с последовательностью мРНК, модулируют уровни сдвига рамки считывания. Молекулы микроРНК (миРНК) могут гибридизоваться со вторичной структурой РНК и влиять на ее прочность. [5]

См. Также [ править ]

  • Элемент стимуляции сдвига рамки считывания антизимной РНК
  • Элемент стимуляции сдвига кадра коронавируса
  • Рибосомальный элемент сдвига рамки DnaX
  • Мутация сдвига рамки
  • Сигнал сдвига рамки рибосомы ВИЧ
  • Последовательность вставки рибосомального элемента сдвига рамки IS1222
  • Перекодировать базу данных
  • Рибосомная пауза
  • Скользкая последовательность

Ссылки [ править ]

  1. ^ Atkins JF, Loughran G, Бхатт PR, Firth А.Е., Баранов П.В. (сентябрь 2016). «Рибосомный сдвиг рамки и проскальзывание транскрипции: от генетической стеганографии и криптографии до случайного использования» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (15): 7007–7078. DOI : 10.1093 / NAR / gkw530 . PMC  5009743 . PMID  27436286 .
  2. ^ a b c d e Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE (июнь 2017 г.). «Белок-управляемый сдвиг рамки считывания рибосом во времени регулирует экспрессию генов» . Nature Communications . 8 : 15582. Bibcode : 2017NatCo ... 815582N . DOI : 10.1038 / ncomms15582 . PMC 5472766 . PMID 28593994 .  
  3. ^ а б в Кеттелер R (2012). «О запрограммированном сдвиге рамки рибосом: альтернативные протеомы» . Границы генетики . 3 : 242. DOI : 10,3389 / fgene.2012.00242 . PMC 3500957 . PMID 23181069 .  
  4. ↑ Иванов И.П., Аткинс Дж.Ф. (2007). «Рибосомный сдвиг рамки при декодировании антизимных мРНК от дрожжей и простейших до человека: около 300 случаев демонстрируют замечательное разнообразие, несмотря на лежащую в основе консервацию» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (6): 1842–1858. DOI : 10.1093 / NAR / gkm035 . PMC 1874602 . PMID 17332016 .  
  5. ^ a b Дэвер Т.Э., Динман Дж. Д., Грин Р. (август 2018 г.). «Удлинение трансляции и перекодирование у эукариот» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 10 (8): а032649. DOI : 10.1101 / cshperspect.a032649 . PMC 6071482 . PMID 29610120 .  
  6. ^ a b Jacks T, Power MD, Masiarz FR, Luciw PA, Barr PJ, Varmus HE (январь 1988 г.). «Характеристика рибосомного сдвига рамки в экспрессии gag-pol ВИЧ-1». Природа . 331 (6153): 280–283. Bibcode : 1988Natur.331..280J . DOI : 10.1038 / 331280a0 . PMID 2447506 . 
  7. ^ a b Jacks T, Madhani HD, Masiarz FR, Varmus HE (ноябрь 1988 г.). «Сигналы для рибосомного сдвига рамки в области gag-pol вируса саркомы Рауса» . Cell . 55 (3): 447–458. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (88) 90031-1 . PMC 7133365 . PMID 2846182 .  
  8. ↑ Jagger BW, Wise HM, Kash JC, Walters KA, Wills NM, Xiao YL, Dunfee RL, Schwartzman LM, Ozinsky A, Bell GL, Dalton RM, Lo A, Efstathiou S, Atkins JF, Firth AE, Taubenberger JK, Digard P (июль 2012 г.). «Перекрывающаяся кодирующая белок область в сегменте 3 вируса гриппа А модулирует ответ хозяина» . Наука . 337 (6091): 199–204. Bibcode : 2012Sci ... 337..199J . DOI : 10.1126 / science.1222213 . PMC 3552242 . PMID 22745253 .  
  9. ^ Advani В.М., Dinman JD (январь 2016). «Перепрограммирование генетического кода: новая роль рибосомного сдвига рамки считывания в регуляции экспрессии клеточных генов» . BioEssays . 38 (1): 21–26. DOI : 10.1002 / bies.201500131 . PMC 4749135 . PMID 26661048 .  
  10. ↑ Crick FH (август 1966 г.). «Спаривание кодонов и антикодонов: гипотеза колебания». Журнал молекулярной биологии . 19 (2): 548–555. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (66) 80022-0 . PMID 5969078 . 
  11. ^ a b Бриерли I (август 1995 г.). «Рибосомные вирусные РНК, изменяющие рамку рамки» . Журнал общей вирусологии . 76 (Pt 8) (8): 1885–1892. DOI : 10.1099 / 0022-1317-76-8-1885 . PMID 7636469 . 
  12. ^ a b c d Харгер Дж. У., Мескаускас А., Динман Дж. Д. (сентябрь 2002 г.). «Интегрированная модель» запрограммированного сдвига рамки рибосом » . Направления биохимических наук . 27 (9): 448–454. DOI : 10.1016 / S0968-0004 (02) 02149-7 . PMID 12217519 . 
  13. ^ Гурвич О.Л., Баранов П.В., Gesteland РФ, Atkins JF (июнь 2005). «Уровни экспрессии влияют на сдвиг рамки рибосомы в тандемных редких кодонах аргинина AGG_AGG и AGA_AGA в Escherichia coli» . Журнал бактериологии . 187 (12): 4023–4032. DOI : 10.1128 / JB.187.12.4023-4032.2005 . PMC 1151738 . PMID 15937165 .  
  14. ^ Caliskan N, Катунин В.И., Belardinelli Р, Р песка, Роднина М.В. (июнь 2014). «Запрограммированный сдвиг кадра -1 путем кинетического разделения во время затрудненной транслокации» . Cell . 157 (7): 1619–1631. DOI : 10.1016 / j.cell.2014.04.041 . PMID 24949973 . 
  15. ^ Arthur L, Павловик-Djuranovic S, Смит-Koutmou К, Зеленый Р, Р Щезный, Djuranovic S (июль 2015). «Контроль трансляции с помощью кодирующих лизин A-богатых последовательностей» . Наука продвигается . 1 (6): e1500154. Bibcode : 2015SciA .... 1E0154A . DOI : 10.1126 / sciadv.1500154 . PMC 4552401 . PMID 26322332 .  
  16. ^ Hansen ТМ, Рейхани С.Н., Oddershede Л.Б., Соренсен MA (апрель 2007). «Корреляция между механической прочностью псевдоузлов информационной РНК и рибосомным сдвигом рамки» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (14): 5830–5835. Bibcode : 2007PNAS..104.5830H . DOI : 10.1073 / pnas.0608668104 . PMC 1838403 . PMID 17389398 .  
  17. ^ a b c Номенклатурный комитет Международного союза биохимиков (NC-IUB) (1984). «Номенклатура не полностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот» . Проверено 4 февраля 2008 года .
  18. ^ Mazauric MH, Licznar P, Prère MF, канал I, Fayet O (июль 2008). «Апикальная петля-внутренняя петля РНК псевдоузлов: новый тип стимулятора сдвига рамки -1 трансляции у бактерий» . Журнал биологической химии . 283 (29): 20421–20432. DOI : 10.1074 / jbc.M802829200 . PMID 18474594 . 
  19. ^ Иванов И.П., Андерсон CB, Gesteland РФ, Atkins JF (июнь 2004). «Идентификация нового антизимного мРНК +1, стимулирующего сдвиг рамки считывания, в подмножестве различных беспозвоночных и его очевидное отсутствие у промежуточных видов» . Журнал молекулярной биологии . 339 (3): 495–504. DOI : 10.1016 / j.jmb.2004.03.082 . PMC 7125782 . PMID 15147837 .  
  20. ^ Баранов П.В., Henderson CM, Андерсон CB, Gesteland РФ, Atkins JF, Говард MT (февраль 2005). «Запрограммированный сдвиг рамки рибосом при расшифровке генома SARS-CoV» . Вирусология . 332 (2): 498–510. DOI : 10.1016 / j.virol.2004.11.038 . PMID 15680415 . 
  21. ^ Larsen B, Gesteland РФ, Atkins JF (август 1997). «Структурное зондирование и мутагенный анализ стебля-петли, необходимых для сдвига рамки рибосомы Escherichia coli dnaX: запрограммированная эффективность 50%» . Журнал молекулярной биологии . 271 (1): 47–60. DOI : 10.1006 / jmbi.1997.1162 . PMC 7126992 . PMID 9300054 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Frameshifting, + Ribosomal в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  • Wise2 - выравнивает белок относительно последовательности ДНК , позволяя сдвиг рамки считывания и интроны
  • FastY - сравнение последовательности ДНК с базой данных последовательностей белков , с учетом пропусков и сдвигов рамки
  • Путь - инструмент, сравнивающий два белка со сдвигом рамки ( принцип обратного перевода )
  • Recode2 - База данных перекодированных генов, включая те, которые требуют запрограммированного трансляционного сдвига рамки.