Введение

Пара оснований РНК, не соответствующая правилам комплементарности Уотсона-Крика.

Пара "колеблющихся" оснований – это сочетание двух нуклеотидов в молекулах РНК, которое не подчиняется правилам комплементарности Уотсона-Крика. Четыре основные "колеблющиеся" пары оснований – гуанин-урацил (G-U), гипоксантин-урацил (I-U), гипоксантин-аденин (I-A) и гипоксантин-цитозин (I-C). Для обеспечения единообразия номенклатуры нуклеиновых кислот символ "I" используется для обозначения гипоксантина, поскольку гипоксантин является нуклеобазой инозина; в противном случае номенклатура соответствует названиям нуклеобаз и соответствующих им нуклеозидов (например, "G" для гуанина и гуанозина – а также для дезоксигуанозина). Термодинамическая стабильность "колеблющейся" пары оснований сопоставима со стабильностью пары Уотсона-Крика. "Колеблющиеся" пары оснований играют фундаментальную роль во вторичной структуре РНК и необходимы для корректного трансляции генетического кода.

Краткая история

В генетическом коде существует 64 возможных кодона (последовательности из трех нуклеотидов). Для трансляции каждый из этих кодонов требует молекулы тРНК с антикодоном, с которым он может стабильно комплементироваться. Если бы каждая молекула тРНК спаривалась со своим комплементарным кодоном мРНК посредством канонического ваттсон-криковского сочетания оснований, потребовалось бы 64 типа молекул тРНК. В стандартном генетическом коде три из этих 64 кодонов мРНК (UAA, UAG и UGA) являются стоп-кодонами. Они завершают трансляцию, связываясь с факторами релиз-факторами, а не с молекулами тРНК, поэтому каноническое спаривание потребовало бы 61 вида тРНК. Поскольку у большинства организмов менее 45 типов тРНК, некоторые типы тРНК могут спариваться с несколькими синонимичными кодонами, все из которых кодируют одну и ту же аминокислоту. Чтобы объяснить это, в 1966 году Фрэнсис Крик предложил гипотезу о "колебании". Он предположил, что 5'-основание антикодона, которое связывается с 3'-основанием мРНК, не так жестко ограничено в пространстве, как два других основания, и поэтому может образовывать нестандартные пары оснований. Крик образно назвал это явление "колебанием" из-за небольшого "зазора" или колебания, возникающего в третьей позиции кодона. "Колебание" основания в 5'-позиции антикодона необходимо для небольших конформационных изменений, влияющих на общую геометрию спаривания антикодонов тРНК. Например, у дрожжевой tRNAPhe антикодон 5'-GmAA-3', и он может распознавать кодоны 5'-UUC-3' и 5'-UUU-3'. Таким образом, не-ваттсон-криковское спаривание оснований возможно в третьей позиции кодона, то есть между 3'-нуклеотидом кодона мРНК и 5'-нуклеотидом антикодона тРНК.

Гипотеза колебания

Эти представления привели Фрэнсиса Крика к созданию гипотезы о колебаниях, набора из четырех взаимосвязей, объясняющих эти естественным образом возникающие характеристики. Первые два основания в кодоне определяют кодирующую специфичность, поскольку они образуют прочные пары оснований Уотсона — Крика и надежно связываются с антикодоном тРНК. При считывании в направлении 5'–3' первый нуклеотид в антикодоне (который находится на тРНК и спаривается с последним нуклеотидом кодона на мРНК) определяет, сколько нуклеотидов тРНК действительно различает. Если первый нуклеотид в антикодоне — Ц или А, спаривание специфично и соответствует исходному спариванию Уотсона — Крика, то есть к этой тРНК может быть сопряжен только один конкретный кодон. Если первый нуклеотид — У или Г, спаривание менее специфично, и тРНК фактически может распознавать два основания как взаимозаменяемые. Инозин демонстрирует истинную природу колебаний: если он является первым нуклеотидом в антикодоне, то к тРНК может быть сопоставлено любое из трех оснований в исходном кодоне. Благодаря специфичности, присущей первым двум нуклеотидам кодона, если одна аминокислота кодируется несколькими антикодонами, и эти антикодоны различаются во втором или третьем положении (первом или втором положении в кодоне), то для каждого антикодона требуется отдельная тРНК. Минимальное количество тРНК, необходимое для распознавания всех возможных кодонов (61, исключая три стоп-кодона), составляет 32. То есть 31 тРНК для аминокислот и одна инициаторная тРНК.

Биологическое значение

Помимо необходимости "колебания" (wobble), обусловленной ограниченным количеством тРНК в клетках и обеспечивающей большую гибкость, установлено, что нестандартные (wobble) пары оснований облегчают многие биологические функции, что наиболее наглядно демонстрируется на примере бактерии Escherichia coli – модельного организма. В частности, исследование тРНК E. coli для аланина выявило нестандартную пару оснований, определяющую, будет ли тРНК аминоацилирована. Когда тРНК достигает аминоацил-тРНК-синтетазы, задача которой заключается в присоединении аминокислоты к т-образной молекуле РНК, образуются аминоацилированные тРНК. Эти аминоацилированные тРНК участвуют в трансляции мРНК и являются ключевыми элементами, связывающимися с кодоном аминокислоты. Дополнительную информацию об аминоацил-тРНК-синтетазах и геномах тРНК E. coli можно найти по ссылкам в разделе "Внешние ссылки": "Информация об аминоацил-тРНК-синтетазах" и "Геномическая база данных тРНК".