Молекулалық биологияда Козак консенсустық тізбегі

Кіріспе

Молекулалық биологиядағы нуклеин қышқылы мотиві – Козак консенсусы (Козак консенсусы немесе Козак тізбегі) – көптеген эукариоттық мРНҚ транскрипттерінде белок аудармасының басталу орны ретінде қызмет ететін нуклеин қышқылы мотиві. Эукариоттарда аударманы бастау үшін ең қолайлы тізбек саналатын бұл тізбек, ақуыздық реттеудің және жалпы жасуша денсаулығының маңызды бөлігі болып табылады, сондай-ақ адам ауруларына да қатысты. Ол генетикалық хабарламадан белоктың дұрыс аудармасын қамтамасыз етеді, рибосомалардың жиналуына және аударманың басталуына көмектеседі. Бұрыс басталу орны жұмыс істемейтін ақуыздарға алып келуі мүмкін. Осы мотив зерттелген сайын, нуклеотидтік тізбектің кеңейтілуі, маңызды базалар және ерекше жағдайлар анықталды. Бұл тізбек оны ашқан ғалым, Мэрилин Козак есімімен аталған. Козак ДНК геномдық тізбектерін жан-жақты талдау арқылы осы тізбекті тапқан. Козак тізбегін рибосомалық байланыс орнымен (RBS) шатастыруға болмайды, ол хабаршы РНҚ-ның 5' қақпағы немесе ішкі рибосомалық кіру орны (IRES) болып табылады.

Бактериялық бастаудан айырмашылықтар

Козак тізбесін пайдаланатын бастаудың сканерлеу механизмі тек эукариоттарда ғана кездеседі және бактериялардың аударманы бастау тәсілінен айқын ерекшеленеді. Ең басты айырмашылық – бактериялардың мРН-сында Шине-Далгарно (SD) тізбегінің болуы. SD тізбегі бастау кодонының жанында орналасқан, ал Козак тізбегі керісінше, бастау кодонын өзі қамтиды. Шине-Далгарно тізбегі кіші рибосомалық 16S суббірлігінің AUG (немесе баламалы) бастау кодонына тікелей байланысуына мүмкіндік береді. Ал эукариоттарда мРН-ны сканерлеу бактерияларға қарағанда AUG кодонын таңдау процесін күрделендіреді. Бактериялық бастау кодонының көп түрлілігіне мысал ретінде кейбір гендер үшін UUG және GUG баламалы бастау кодондарының қолданылуын келтіруге болады. Археялардың транскрипттері SD тізбегін, Козак тізбегін және көшбасшысыз бастауды араластыра қолданады. Галоархеялардың Hsp70 гендерінде Козак консенсустық тізбегінің нұсқасы бар екені белгілі.

Мутациялар мен аурулар

Мэрилин Козак жүйелі мутацияларды зерттеу арқылы, -3 немесе +4 позициясындағы күшті консенсус тізбегінің кез келген мутациясы in vitro және in vivo жағдайларында аударманың басталуын күрт нашарлататынын көрсетті. Зерттеулер β-глобин генінің (β+45; адам) -6 позициясындағы G→C мутациясы гематологиялық және биосинтетикалық фенотиптік функцияны бұзғанын көрсетті. Бұл Козак тізбегінде табылган алғашқы мутация болды және аударма тиімділігінің 30%-ға төмендеуін көрсетті. Ол Италияның оңтүстік-шығысындағы отбасынан табылды, олар талассемия интермедиадан зардап шекті. Козак тізбегіндегі мутациялар адам денсаулығына да елеулі әсер ете алады; атап айтқанда, жүрек ауруларының кейбір түрлері GATA4 генінің 5' трансляцияланбаған аймағындағы Козак тізбегіндегі мутациялардан туындайды. GATA4 гені жүректі қоса алғанда, көптеген тіндерде гендік экспрессияға жауапты екені анықталды. GATA4 тізбегінің 6-позициясындағы гуанозин цитозинге мутацияланғанда, GATA4 протеинінің деңгейі төмендейді, бұл GATA4 транскрипция факторымен реттелетін гендердің экспрессиясының төмендеуіне және атриальды септумнің ақаулығының дамуына әкеледі. Козак тізбегінің аударманы оңтайландыру қабілеті мРНҚ транскриптінің 5' (5' UTR) шетіндегі әдетте аудармаланбаған аймақта жаңа бастама кодондарының пайда болуына мүмкіндік береді. Bohlen және авторлар (2017) SOX9 геніндегі Козакқа ұқсас аймақта G-дан A-ға мутацияны сипаттады, бұл кадрдан тыс ашық оқу кадрында жаңа аударма бастау кодонын жасады. Дұрыс инициациялық кодон Козак консенсустық тізбегімен салыстырғанда, жаңа, жоғары орналасқан инициациялық сайттың айналасындағы тізбекке жақын болмаған аймақта орналасқан, бұл функционалды SOX9 протеинінің аударма тиімділігінің төмендеуіне әкелді. Бұл мутация анықталған пациентте акампомелик кампомелик дисплазия дамыды, бұл SOX9 экспрессиясының жеткіліксіздігіне байланысты қаңқа, репродуктивті және тыныс жолдарының бұзылуына әкелетін даму бұзылысы.

Marilyn Kozak demonstrated, through systematic study of point mutations, that any mutations of a strong consensus sequence in the −3 position or to the +4 position resulted in highly impaired translation initiation both in vitro and in vivo. Research has shown that a mutation of G—>C in the −6 position of the β globin gene (β+45; human) disrupted the haematological and biosynthetic phenotype function. This was the first mutation found in the Kozak sequence and showed a 30% decrease in translational efficiency. It was found in a family from the Southeast Italy and they suffered from thalassaemia intermedia. Mutations to the Kozak sequence can also have drastic effects upon human health; in particular, certain forms of congenital heart disease are caused by Kozak sequence mutations in the GATA4 gene's 5' untranslated region. The GATA4 gene is responsible for gene expression in a wide variety of tissues including the heart. When the guanosine at the 6 position in the Kozak sequence of GATA4 is mutated to a cytosine, a reduction in GATA4 protein levels results, which leads to a decrease in the expression of genes regulated by the GATA4 transcription factor and linked to the development of atrial septal defect. The ability of the Kozak sequence to optimize translation can result in novel initiation codons in the typically untranslated region of the 5′ (5′ UTR) end of the mRNA transcript. A G to A mutation was described by Bohlen et al. (2017) in a Kozak like region in the SOX9 gene that created a new translation initiation codon in an out of frame open reading frame. The correct initiation codon was located in a region that did not match the Kozak consensus sequence as closely as the surrounding sequence of the new, upstream initiation site did, which resulted in reduced translation efficiency of functional SOX9 protein. The patient in whom this mutation was detected had developed acampomelic campomelic dysplasia, a developmental disorder that causes skeletal, reproductive and airway issues due to insufficient SOX9 expression.