Виктория Соколик: Сейчас в Казани проходит II Международная виртуальная
конференция "Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии" (15-18.
11.2011).
Мои тезисы на ней "Загадка изоакцепторных тРНК":
ЗАГАДКА ИЗОАКЦЕПТОРНЫХ тРНК
В.В. Соколик
ГУ “Институт неврологии, психиатрии и наркологии АМН Украины”
В
1957 г. F.H.C. Crick выдвинул “адапторную гипотезу”, в которой
предложил на роль посредника между кодонами и аминокислотами в процессе
матричного синтеза белка тРНК [1]. Далее было установлено, что
количество различных видов тРНК в цитоплазме эукариот всегда больше, чем
количество различных аминокислот и аминоацил-тРНК-синтетаз. Это значит,
что несколько изоакцепторных тРНК могут быть узнаны одной и той же
аминоацил-тРНК-синтетазой и соответственно нести на своём акцепторном
стебле один и тот же аминокислотный остаток. Для большинства аминокислот
изоакцепторные тРНК имеют различные по первому нуклеотиду антикодоны и
узнают различные по третьему нуклеотиду кодоны.
У прокариот и в
органеллах эукариот (митохондрии и хлоропласты) для каждой аминокислоты
предусмотрен единственный вид тРНК, соответствующий всем кодонам данной
аминокислоты. Поэтому мы можем сделать вывод, что изначально дуплетом
первых двух нуклеотидов кодонов кодировалась лишь аминокислотная
последовательность и необходимость в пуле изоакцепторных тРНК не
наблюдалась. Для тРНК простейших характерно отсутствие модификаций
первого нуклеотида антикодона, что обусловливает возможность нестрогого
соответствия каноническому взаимодействию нуклеотидов, а именно: первый
нуклеотид антикодона тРНК “узнаёт” все четыре разновидности (A, G, U и
C) нуклеотидов в третьей позиции кодонов. Более того, в структуре тРНК
органелл и прокариот нередко отмечается частичная редукция
тимидил-псевдоуридиловой и дигидроуридиловой петель.
Дальнейшая
эволюция механизма трансляции шла по пути посттранскрипционной
модификации первого нуклеотида антикодона и совершенствования
пространственной структуры тРНК. Химические модификации первого
нуклеотида антикодона тРНК привели к формированию семейств
изоакцепторных тРНК с ограничениями к формированию канонических пар с
любым нуклеотидом в третьей позиции кодонов. В настоящее время
идентифицировано несколько десятков модифицированных нуклеотидов в
структуре тРНК, однако нас, прежде всего, интересуют выявленные
модификации первого нуклеотида антикодона. Так, в цитоплазме эукариот
редко встречаются тРНК с немодифицированным нуклеотидом в этой позиции:
как правило,
• аденин (А) в результате окислительного дезаминирования всегда превращается в инозин (І);
•
уридин (U) модифицируется до 5-метоксиуридина (mo5U),
5-карбоксиметоксиуридина (cmo5U), 5-(метиламинометил)-2-тиоуридинa
(mnm5s2U), 5-(метоксикарбонилметил)-2-тиоуридинa (mcm5s2U),
5-(метиксикарбонилметил)уридинa (mcm5U);
• гуанин (G) и цитозин
(С) иногда могут присутствовать в немодифицированном виде, хотя чаще
метилированы по 2'-гидроксилу рибозы (Gm и Cm);
• в
некоторых тРНК в первом положении антикодона встречается
гипермодифицированное производное гуанина – кьюозин (Q).
В
данной работе мы постараемся ответить на вопрос: для чего у каждой
аминокислоты появился пул изоакцепторных тРНК (вместо одной
единственной, как у прокариот) да ещё и с модифицированными
нуклеотидами в первой позиции антикодона.
Анализ базы данных верифицированных нуклеотидных последовательностей тРНК (tRNAdb: http://trnadb.bioinf.uni-leipzig.de/ )
показал, что у эукариот аминокислоты, которые характеризуются полным
семейством кодонов (все четыре разновидности нуклеотидов в третьей
позиции), имеют тРНК, в первом положении антикодонов которых представлен
инозин, способный узнавать С и G, но не А или U. Исключением являются
Gly и Ile. тРНКGly, несмотря на четыре разновидности кодонов для этой
аминокислоты, в первой позиции антикодона несут либо С, либо G. В первой
позиции антикодонов тРНК Ile присутствует І, хотя изолейцин
детерминирован лишь тремя кодонами.
Модифицикация уридина в первой
позиции тРНК ограничивает его спаривание с пиримидиновыми азотистыми
основаниями, т.е. modU “узнаёт” только A или G. Q и его модификации
характерны для первого нуклеотида антикодона тРНК тех аминокислот,
которые кодируются только двумя видами кодонов с С или U в третьем
положении (His, Asp, Asn, Tyr и другие). При этом для кодонов XYС
предусмотрены тРНК с GYZ антикодоном. Поэтому надо полагать, что кьюозин
специфично “узнаёт” уридин в третьей позиции кодонов данных
аминокислот.
Обращает на себя внимание, что в пуле из 200
нуклеотидных последовательностей цитоплазматических тРНК эукариот
(tRNAdb) 73% имеют в первой позиции I, C или G, “узнающие” кодоны с C/G
в третьем положении, 20% с U и modU для кодонов XYА вида и только 7% с Q
для XYU кодонов. Объективная предпосылка такого неравного
распределения кроется в различной частоте встречаемости кодонов, которые
комплементарны данным тРНК. Например, для генов Human, Mouse и
Drosophila встречаемость кодонов с C/G, А или U в третьем положении
соотносится как 74 : 13 : 13. Легко видеть, что XYC/G-кодоны аминокислот
и их тРНК для спиральных мотивов белка составляют подавляющее
большинство. Неудивительно, что проф. А.С. Спирин, отклоняясь от
постулата о матричном синтезе белка в виде развёрнутой полипептидной
цепочки, предположил, что в самой рибосоме полипептид синтезируется
сразу в виде правой α-спирали и по желобу выталкивается наружу по мере
трансляции мРНК [2]. Такое обобщение хорошо в виде правила для
большинства “спиральных” кодонов, исключением из которого является
синтез фрагментов полипептидной цепи в виде β-тяжа или витка левой 3/10
спирали с помощью тРНК, в первой позиции антикодона которых стоят
нуклеотиды (U, N, Q), “узнающие” “не спиральные” кодоны.
В наших
предыдущих публикациях была представлена гипотеза о том, что у эукариот
сформировался механизм детерминирования в геноме структурного шаблона
белка (а не только его аминокислотной последовательности), в
декодировании которого при матричном синтезе непосредственное участие
принимают различные виды изоакцепторных тРНК [3, 4]. В частности для
аминокислот с полным набором кодонов эволюция предусмотрела три
разновидности изоакцепторных тРНК (для остальных аминокислот две или
одну):
• с инозином в первой позиции антикодона тРНК “узнающие” “спиральные” (XYС или XYG) кодоны;
• с уридином и его модификациями в первой позиции антикодона тРНК “узнающие” XYА кодоны;
• с кьюозином в первой позиции антикодона тРНК “узнающие” XYU кодоны.
Эти
три типа изоакцепторных тРНК кроме первого нуклеотида антикодона
различаются между собой пространственной структурой, точнее углом
поворота акцепторного стебля вокруг своей оси (рис. 1). Последнее
достигается спецификой взаимодействия тимидил-псевдоуридиловой и
дигидроуридиловой петель в структуре тРНК. А именно: С в третьей позиции
тимидил-псевдоуридиловой петли взаимодействует с G во втором положении
дигидроуридиловой петли в структуре тРНК с U и modU в первой позиции
антикодона, с G в четвёртом положении дигидроуридиловой петли в
структуре тРНК с I, C или G в первой позиции антикодона и с G в шестом
положении дигидроуридиловой петли в структуре тРНК с Q в первой позиции
антикодона. Таким способом транслируется информация третьего нуклеотида
кодона о конфигурации пептидной связи, которой аминокислота на АСС-конце
тРНК будет присоединена к растущей полипептидной цепи в рибосоме.
Очевидно, что тРНК Ala с I в первой позиции антикодона присоединит аланин
к растущему полипептиду пептидной связью в R-конфигурации, а трансляция
четырёх и более подряд кодонов GСС/G приведёт к формированию витка
правой α-спирали полиаланина в желобе рибосомы. Аланин на АСС-хвосте
тРНК Ala с U в первой позиции антикодона (для кодонов GСА) будет
присоединён пептидной связью в 0-конфигурации, что сформирует β-тяж.
Аланин в составе комплекса с тРНК Ala, первый нуклеотид которой кьюозин,
присоединится пептидной связью в L-конфигурации. Эти изоакцепторные
тРНК Ala “узнают” GСU кодоны аланина, а троекратное их повторение
детерминирует виток левой 3/10 спирали. Очевидно, что чередование
“спиральных” и “неспиральных” кодонов транслируется в виде
неструктурированного фрагмента без элементов вторичной структуры в виде
хаотично изогнутой полипептидной цепи.
Таким образом, изоакцепторные
тРНК необходимы для трансляции закодированной в геноме информации о
конфигурации пептидных связей в транслируемом структурном шаблоне белка,
а не только аминокислотной последовательности, как у прокариот.
Литература
1. Crick F.H.C. The Origin of the Genetic Code // J. Mol. Biol. — 1968. — 38. — Р. 367-379.
2. Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и синтез белка. – М: «Академия», 2011. – 496 с.
3.
Sokolik V.V. Protein is coded in genome and synthesized in ribosomes
as a structural template of a rotameric version sequence of peptide
bound configura-tion / The International Moscow Conference on
Computational Molecular Biology, МССМВ-11 (July 21-24, 2011), Moscow,
Russia. – P. 347-348.
4. Соколик В.В. Способ моделирования
пространственной структуры белка по детерминирующей его нуклеотидной
последовательности // Биофизиче-ский вестник (ХНУ). – 2010. - 24 (1). –
С. 31-45.
