Введение

Трансляция эукариотов — это биологический процесс, посредством которого мРНК транслируется в белки в эукариотических клетках. Она состоит из четырех фаз: инициация, элонгация, терминация и рекаппинг.

Введение

Инициация трансляции – это процесс, при котором рибосома и ассоциированные с ней факторы связываются с мРНК и собираются в стартовом кодоне. Этот процесс может быть зависимым от "кэпа", когда рибосома первоначально связывается с 5'-кэпом и затем перемещается к стоп-кодону, или независимым от "кэпа", когда рибосома не связывается с 5'-кэпом на начальной стадии.

Зависимый от предельного уровня инициация

Инициация трансляции обычно включает взаимодействие определенных ключевых белков, инициаторных факторов, со специальным меткой, связанной с 5'-концом молекулы мРНК, 5'-кэпом, а также с 5'-UTR. Эти белки связывают малую (40S) рибосомную субъединицу и удерживают мРНК на месте. eIF3 ассоциируется с 40S-рибосомной субъединицей и играет роль в предотвращении преждевременного связывания большой (60S) рибосомной субъединицы. eIF3 также взаимодействует с комплексом eIF4F, который состоит из трех других инициаторных факторов: eIF4A, eIF4E и eIF4G. eIF4G – это каркасный белок, который непосредственно связывается как с eIF3, так и с двумя другими компонентами. eIF4E – это белок, связывающий кэп. Связывание с кэпом eIF4E часто считается лимитирующей стадией инициации, зависящей от кэпа, и концентрация eIF4E является регуляторным центром трансляционного контроля. Некоторые вирусы расщепляют часть eIF4G, которая связывает eIF4E, тем самым предотвращая зависимую от кэпа трансляцию, чтобы перехватить клеточные механизмы в пользу вирусных (независимых от кэпа) мРНК. eIF4A – это АТФ-зависимая РНК-геликаза, которая помогает рибосоме, разрешая определенные вторичные структуры, сформированные вдоль транскрипта мРНК. Поли(А)-связывающий белок (PABP) также связывается с комплексом eIF4F через eIF4G и связывает поли(А)-хвост большинства молекул эукариотической мРНК. Этот белок участвует в циркуляризации мРНК во время трансляции. Этот 43S-предварительный инициационный комплекс (43S PIC) в сопровождении белковых факторов движется вдоль цепи мРНК к ее 3'-концу, в процессе, известном как «сканирование», чтобы достичь стартового кодона (обычно AUG). У эукариот и архей аминокислота, кодируемая стартовым кодоном, – это метионин. Мета-заряженная инициаторная тРНК (Met tRNAiMet) доставляется в P-сайт малой рибосомной субъединицы с помощью эукариотического инициаторного фактора 2 (eIF2). Он гидролизует ГТФ и сигнализирует о диссоциации нескольких факторов из малой рибосомной субъединицы, что в конечном итоге приводит к ассоциации большой субъединицы (или 60S-субъединицы). Затем полная рибосома (80S) начинает трансляционное удлинение. Регуляция синтеза белка частично зависит от фосфорилирования eIF2 (через α-субъединицу), который является частью третичного комплекса eIF2-ГТФ-Met tRNAiMet (eIF2 TC). Когда большое количество eIF2 фосфорилируется, синтез белка ингибируется. Это происходит при дефиците аминокислот или после вирусной инфекции. Однако небольшая часть этого инициаторного фактора естественным образом фосфорилируется. Другой регулятор – 4EBP, который связывается с инициаторным фактором eIF4E и ингибирует его взаимодействие с eIF4G, тем самым предотвращая инициацию, зависящую от кэпа. Для противодействия эффектам 4EBP факторы роста фосфорилируют 4EBP, снижая его аффинность к eIF4E и позволяя синтез белка. В то время как синтез белка регулируется глобально путем модуляции экспрессии ключевых инициаторных факторов, а также количества рибосом, отдельные мРНК могут иметь разные скорости трансляции из-за наличия регуляторных последовательностей. Это оказалось важным в различных условиях, включая мейоз дрожжей и этиленовый ответ у растений. Кроме того, недавние исследования на дрожжах и у людей показывают, что эволюционные расхождения в цис-регуляторных последовательностях могут влиять на регуляцию трансляции. Кроме того, РНК-геликазазы, такие как DHX29 и Ded1/DDX3, могут участвовать в процессе инициации трансляции, особенно для мРНК со структурированными 5'-UTR.

Независимое от предельной стоимости инициирование

Наиболее изученный пример инициации трансляции, не зависящей от кэпа, в эукариотах использует внутренний сайт входа рибосомы (IRES). В отличие от трансляции, зависящей от кэпа, трансляция, не зависящая от кэпа, не требует наличия 5'-кэпа для начала сканирования с 5'-конца мРНК до стартового кодона. Рибосома может локализоваться в стартовом участке посредством прямого связывания, инициаторных факторов и/или ITAF (IRES-трансдействующих факторов), обходя необходимость сканирования всего 5'-UTR. Этот метод трансляции важен в условиях, когда требуется трансляция специфических мРНК во время клеточного стресса, когда общая трансляция снижена. Примеры включают факторы, реагирующие на апоптоз и стресс-индуцированные ответы.

Удлинение

Удлинение зависит от факторов удлинения у эукариотов. В конце этапа инициации мРНК позиционируется таким образом, чтобы следующий кодон мог быть транслирован во время стадии удлинения синтеза белка. Инициаторная тРНК занимает P-сайт в рибосоме, а A-сайт готов к приему аминоацил-тРНК. Во время удлинения цепи каждая дополнительная аминокислота добавляется к растущей полипептидной цепи в трехступенчатом микроцикле. Шаги этого микроцикла включают (1) позиционирование правильной аминоацил-тРНК в A-сайте рибосомы, доставляемой туда с помощью eEF1, (2) формирование пептидной связи и (3) сдвиг мРНК на один кодон относительно рибосомы при помощи eEF2. В отличие от бактерий, где инициирование трансляции происходит сразу после синтеза 5'-конца мРНК, у эукариотов такая тесная связь между транскрипцией и трансляцией невозможна, поскольку транскрипция и трансляция осуществляются в отдельных компартментах клетки (ядре и цитоплазме). Прекурсоры эукариотической мРНК должны быть обработаны в ядре (например, кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг) перед экспортом в цитоплазму для трансляции. На трансляцию также может влиять рибосомная пауза, которая может спровоцировать эндонуклеотидный расщепление тРНК – процесс, называемый распадом мРНК при невозможности продвижения. Рибосомная пауза также способствует ко-трансляционному сворачиванию растущего полипептида на рибосоме и замедляет трансляцию белка во время кодирования тРНК. Это может привести к рибосомному сдвигу рамки считывания.

Прекращение

Прекращение удлинения зависит от факторов высвобождения эукариот. Этот процесс аналогичен бактериальной терминации, но в отличие от нее, в эукариотах существует универсальный фактор высвобождения eRF1, который распознает все три стоп-кодона. После прекращения трансляции рибосома диссоциирует, и завершенный полипептид высвобождается. eRF3 – рибосома-зависимая GTPаза, которая способствует высвобождению завершенного полипептида фактором eRF1. В геноме человека обнаружены несколько генов, у которых стоп-кодон мРНК неожиданно "протекаем": в этих генах прекращение трансляции происходит неэффективно из-за специфических нуклеотидов РНК вблизи стоп-кодона. Этот "протекающий" стоп-кодон приводит к считыванию до 10% стоп-кодонов в этих генах. Некоторые из этих генов кодируют функциональные белковые домены в продолжающейся последовательности, что приводит к образованию новых белковых изоформ. Этот процесс получил название "функциональное трансляционное прочтение".

Регулирование и изменение перевода

Перевод является одним из ключевых потребителей энергии в клетках, поэтому он строго регулируется. Развились многочисленные механизмы, контролирующие и регулирующие трансляцию у эукариот и прокариот. Регулирование трансляции может влиять на общую скорость синтеза белка, тесно связанную с метаболическим и пролиферативным состоянием клетки. Для более глубокого изучения этого сложного процесса ученые обычно используют метод, известный как профилирование рибосом. Этот метод позволяет исследователям получить моментальный снимок транслатома, показывающий, какие участки мРНК в данный момент времени транслируются рибосомами в белки. Профилирование рибосом предоставляет ценные сведения о динамике трансляции, раскрывая сложное взаимодействие между последовательностью гена, структурой мРНК и регуляцией трансляции. Дальнейшим развитием этой концепции является одноклеточное профилирование рибосом – методика, позволяющая изучать процесс трансляции с разрешением отдельных клеток. Одноклеточное профилирование рибосом способно пролить свет на гетерогенность клеток, что приведет к более тонкому пониманию того, как регуляция трансляции влияет на поведение клеток, их метаболическое состояние и реакцию на различные стимулы или условия.

Замена аминокислот

В некоторых клетках определенные аминокислоты могут истощаться, тем самым влияя на эффективность трансляции. Например, активированные Т-клетки секретируют интерферон γ, который вызывает внутриклеточный дефицит триптофана путем повышения экспрессии фермента индоламин-2,3-диоксигеназы 1 (IDO1). Удивительно, но, несмотря на истощение триптофана, синтез белка в открытой рамке чтения продолжается, включая триптофановые кодоны. Это достигается за счет включения фенилаланина вместо триптофана. Получающиеся пептиды называются W>F "субститутами". Такие W>F субституты в большом количестве обнаруживаются при определенных типах рака и ассоциированы с повышенной экспрессией IDO1. Функционально W>F субституты могут снижать активность белка.