Кіріспе
Ферменттер класы Аминоацил тРНК синтетазасы (aaRS немесе ARS), сондай-ақ тРНК лигазасы деп аталады, бұл тиісті аминқышқылын оған сәйкес тРНК-ға қосатын фермент. Ол белгілі бір туыс аминқышқылының немесе оның прекурсорының трансэстерификациясын оның барлық үйлесімді туыс тРНК-ларының біріне катализдейді, нәтижесінде аминоацил тРНК пайда болады. Адам организмінде генетикалық кодтың әрбір аминқышқылы үшін 20 түрлі аминоацил тРНК синтетазасы бар, олар 20 түрлі aa тРНК-ны жасайды. Бұл кейде тРНК-ны аминқышқылымен "зарядтау" немесе "жүктеу" деп аталады. ТРНК зарядталғаннан кейін, рибосома генетикалық кодқа сәйкес аминқышқылын тРНК-дан өсіп келе жатқан пептидке ауыстыра алады. Сондықтан аминоацил тРНК РНК трансляциясында маңызды рөл атқарады, яғни гендердің белоктарды құруға қатысуында.
An aminoacyl tRNA synthetase (aaRS or ARS), also called tRNA ligase, is an enzyme that attaches the appropriate amino acid onto its corresponding tRNA. It does so by catalyzing the transesterification of a specific cognate amino acid or its precursor to one of all its compatible cognate tRNAs to form an aminoacyl tRNA. In humans, the 20 different types of aa tRNA are made by the 20 different aminoacyl tRNA synthetases, one for each amino acid of the genetic code. This is sometimes called "charging" or "loading" the tRNA with an amino acid. Once the tRNA is charged, a ribosome can transfer the amino acid from the tRNA onto a growing peptide, according to the genetic code. Aminoacyl tRNA therefore plays an important role in RNA translation, the expression of genes to create proteins.
Құрылыстар
Аминоацил-тРНК синтетазаларының екі класы да көп доменді ақуыздар болып табылады. Типик жағдайда, aaRS каталитикалық доменнен (осы жоғарыда аталған реакциялар орындалатын жер) және антикодонды байланыстыру доменінен (тРНК-ның антикодондық аймағымен көбінесе өзара әрекеттеседі) тұрады. Әртүрлі аминқышқылдарына арналған трансферлік РНК-лар антикодоны бойынша ғана емес, сонымен қатар басқа да нүктелерде де ерекшеленеді, бұл олардың жалпы конфигурациясын сәл өзгеше етеді. Аминоацил-тРНК синтетазалары дұрыс тРНК-ны негізінен олардың жалпы конфигурациясы арқылы таниды, тек антикодон арқылы емес. Сонымен қатар, кейбір aaRS-терде қосымша РНК байланыстыру домендері және дұрыс жұптаспаған аминоацил-тРНК молекулаларын кесіп тастайтын редакциялау домендері бар. Белгілі бір кластағы барлық aaRS-тің каталитикалық домендері бір-біріне гомологты болып табылады, ал I және II кластағы aaRS-тер бір-бірімен байланысты емес. I кластағы aaRS-терде глицерол-3-фосфат цитидилилтрансферазасы, никотинамид нуклеотид аденилилтрансферазасы және археялық FAD синтезасы сияқты ақуыздарда кездесетін Россманн қатқырына ұқсас цитидилилтрансфераза бар, ал II кластағы aaRS-терде биотин және липоат лигазаларымен байланысты ерекше қатқыр бар. Аргинил, глицил және цистеинил тРНК синтетазаларының альфа-спиральді антикодон байланыстыру домені, сипаттамалы консервацияланған аминқышқылдарының атымен DALR домені деп аталады. Аминоацил-тРНК синтетазалары кинетикалық тұрғыдан зерттелді, нәтижесінде Mg2+ иондарының белсенді каталитикалық рөл атқаратыны және сондықтан aaRS-тердің магнийге тәуелділігі анықталды. Mg2+ концентрациясының жоғарылауы аминоацил-тРНК синтетазаларының реакцияларының тепе-теңдік тұрақтыларының жоғарылауына әкеледі. Бұл тенденция I және II кластағы синтетазалардың екеуінде де байқалса да, екі кластың магнийге тәуелділігі өте ерекше. II кластағы синтетазаларда екі немесе (көбінесе) үш Mg2+ ионы бар, ал I кластағы синтетазаларға бір Mg2+ ионы ғана қажет. Жалпы реттілік және құрылымдық ұқсастықтың болмауына қарамастан, I және II кластағы синтетазалар АТФ-ті танудың әртүрлі механизмдерін көрсетеді. I класты синтетазалар тікше арқылы өзара әрекеттесу арқылы байланысса, II класты синтетазалар аргинин қалдықтарының жұбын пайдаланып, АТФ лигандысына тұздық көпірлер орнатады. Бұл қарама-қарсы іске асыру екі құрылымдық мотивте көрінеді: I кластағы барлық құрылымдарда кездесетін тікше жақшалары және II кластағы барлық құрылымдарда кездесетін аргинин қысқыштары. Бұл мотивтердің жоғары құрылымдық сақталуы олардың ежелгі заманнан бері болғанын көрсетеді.
Эволюция
Белгілі бір ерекшеліктегі aaRS-тің көпшілігі басқа ерекшеліктегі aaRS-ке қарағанда бір-біріне эволюциялық жағынан жақын. Алайда, AsnRS және GlnRS сәйкесінше AspRS және GluRS ішінде топтасады. Белгілі бір ерекшеліктегі aaRS-тің көпшілігі бір сыныпқа жатады. Дегенмен, LysRS-тің екі ерекше нұсқасы бар – біреуі I сынып отбасының, екіншісі II сынып отбасының құрамына кіреді. aaRS молекулалық филогенеялары көбінесе организмдердің қабылданған филогенеяларымен сәйкес келмейді. Яғни, олар Архея, Бактерия және Эукария тіршілік домендерінің көптеген ферменттері көрсеткен канондық филогенетикалық үлгіні бұзады. Сонымен қатар, әртүрлі аминқышқылдарының aaRS-тері үшін жасалған филогенеялар көбінесе бір-бірімен келіспейді. Бұдан өзге, бір түрдегі aaRS паралогтары арасында жоғары деңгейдегі айырмашылық байқалады. Бұл aaRS эволюциялық тарихында горизонтальді гендер алмасу бірнеше рет болғанын көрсетеді. Осы суперотбасының эволюциялық тұрақтылығына қатысты кең таралған сенім – әрбір организмде оларға сәйкес келетін аминқышқылдарының барлық aaRS-тері бар деген түсінік – жаңылыс. ~2500 прокариоттық геномға жасалған кең ауқымды геномдық талдау көрсеткендей, олардың көпшілігінде aaRS гендерінің бірі немесе бірнешеуі жоқ, ал көптеген геномдарда 1 немесе одан да көп паралог кездеседі. AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS және ValRS отбасының ең эволюциялық тұрақты мүшелері болып табылады. GluRS, LysRS және CysRS көбінесе паралогтарға ие, ал AsnRS, GlnRS, PylRS және SepRS көптеген геномдарда жиі кездеспейді. AlaRS-тен басқа, 20 адам aaRS-інің 19-ы кем дегенде бір жаңа домен немесе мотив қосыпты. Бұл жаңа домендер мен мотивтер функциялары бойынша әртүрлі және тіршіліктің әртүрлі формаларында кездеседі. Адам aaRS-теріндегі жиі кездесетін жаңа функция – биологиялық процестерді қосымша реттеуді қамтамасыз ету. aaRS-терге домендер қосылуының артуы жоғары организмдердің күрделі және тиімді құрылымдық элементтері мен биологиялық механизмдерінің үздіксіз эволюциясына байланысты деген теория бар. Бұл теорияны қолдайтын маңызды дәлел – aaRS-ке жаңа домен қосылғаннан кейін, ол толыққанды интеграцияланады және осы жаңа доменнің функционалдығы одан әрі сақталады. Жоғары организмдерде генетикалық тиімділік жетілген сайын, aaRS гендерінің каталитикалық белсенділігімен тікелей байланысы жоқ 13 жаңа домен қосылған.
Биотехнологияда қолдану
Аминоацил-тРНК синтетазаларының кейбіреулерінде аминқышқылын ұстайтын қуыс, зертханада синтезделген табиғи емес аминқышқылдарын тасымалдауға және оларды белгілі бір тРНК-ға жалғауға мутация және модификация арқылы өзгертілуі мүмкін. Бұл генетикалық кодты, табиғатта кездесетін жиырма канондық аминқышқылынан өзге, табиғи емес аминқышқылын қосу үшін кеңейтеді. Табиғи емес аминқышқылы (TAG, TGA, TAA) үштік, төрттік кодон немесе кейбір жағдайларда сирек, қайталама кодон арқылы кодталады. Мутантты синтетазаны экспресс ететін организм, содан кейін табиғи емес аминқышқылын кез келген белоктың кез келген орнына енгізу үшін генетикалық тұрғыдан бағдарламаланады, бұл биохимиктерге немесе құрылымдық биологтарға белоктың функциясын зерттеуге немесе өзгертуге мүмкіндік береді. Мысалы, ДНК-ның белгілі бір тізбегін байланыстыратын белоктың генінен бастап, реактивті бүйір тізбегі бар табиғи емес аминқышқылын байланыс орнына бағыттап, ДНК-ны мақсатты тізбекке байланыстырудың орнына кесіп тастайтын жаңа белокты жасауға болады. Аминоацил-тРНК синтетазаларын мутациялау арқылы химиктер әртүрлі организмдердің генетикалық кодтарын кеңейтіп, әртүрлі пайдалы қасиеттері бар зертханада синтезделген аминқышқылдарды қосты: фотореактивті, металл хелаттаушы, ксенон хелаттаушы, кросслинктеуші, спиндік резонанстық, флуоресцентті, биотинделген және тотығу-тотықсыздануға бейім аминқышқылдар. Тағы бір қолданысы – мақсатты белокты химиялық түрлендіру үшін реактивті функционалдық топтары бар аминқышқылдарды енгізу. Кейбір аурулардың (мысалы, нейрондық патологиялар, қатерлі ісік, метаболизмнің бұзылуы және аутоиммундық аурулар) пайда болуы аминоацил-тРНК синтетазаларының нақты мутацияларымен байланысты. Шарко-Мари-Тун (CMT) – перифериялық жүйке жүйесінің (нейрондық ауру) ең көп кездесетін тұқым қуалайтын бұзылысы және гликол-тРНК және тирозил-тРНК-ның тұқым қуалайтын мутациясынан туындайды. Диабет, метаболикалық ауру, тотығу стресін тудырады, бұл митохондриялық тРНК мутацияларының жиналуына әкеледі. Сондай-ақ, тРНК синтетазаларының қатерлі ісіктің этиологиясына белгілі бір дәрежеде қатысы бар екені анықталды. Әртүрлі қатерлі ісіктерде aaRS-тің жоғары деңгейде экспрессиясы немесе модификациясы байқалды. aaRS-тің мутацияларының жалпы нәтижесі димердің пішініне/құрылымының бұзылуы болып табылады, бұл оның функциясымен тікелей байланысты. aaRS және белгілі бір аурулар арасындағы осы корреляциялар жаңа терапиялық препараттарды синтездеуге есік ашты.
Каталитикалық емес домендер
aaRS гендеріне жаңа домендер жинақталып, Өмір ағашы бойымен прогрессивті дамиды. Бұл кішкентай, каталитикалық емес белок домендеріне түскен күшті эволюциялық қысым олардың маңыздылығын аңғартады. 1999 жылдан бастап жасалған жаңалықтар бұрын белгісіз болған биологиялық деңгейді ашты: бұл белоктар өзінің туған жасушасында ген экспрессиясын реттейді, ал босатылғанда ересектердің немесе ұрықтың даму кезеңінде, немесе екеуінде де нақты адам жасушаларында, тіндерінде және органдарында гомеостаздық және дамыту бақылауын жүзеге асырады, соның ішінде ангиогенез, қабыну, иммундық жауап, рапамициннің (mTOR) сигнализациясының мақсаты, апоптоз, ісік пайда болуы және интерферон гамма (IFN) және p53 сигнализациясы сияқты жолдарды қамтиды.
Субстраттың кемуі
2022 жылы аминоацил-тРНК синтетазаларының өз прекурсорлары жетіспеген жағдайда баламалы аминқышқылдарын қосуға қабілетті екендігі анықталды. Атап айтқанда, триптофанил-тРНК синтетазасы (WARS1) триптофан жетіспеген кезде фенилаланин қосып, W>F кодонының қайта тағайындалуына себеп болады. Аминоацил-тРНК синтетазаларының екінші субстраты – туыс тРНК-ның азаюы кейбір ауруларға, мысалы, Шарко-Мари-Тун ауруына қатысты болуы мүмкін. CMT мутациялық глицил-тРНК синтетазасының варианттары гли-тРНК-мен байланыса алады, бірақ оны босатпайды, нәтижесінде клеткалық глицил-тРНК-гли қоры азаяды, бұл мРНК трансляциясы кезінде глицин кодондарында рибосоманың тоқтауына әкеледі.
Клиникалық
Митохондриялық ферменттегі мутациялар бірнеше генетикалық аурулармен байланысты, оның ішінде Ли синдромы, Вест синдромы және CAGSSS (катаракта, өсу гормонының жетіспеушілігі, сезімдік нейропатия, сезімдік нейропатияға байланысты есту қабілетінің жоғалтуы және қаңқа дисплазиясы синдромы).