Последовательность Козака: роль в инициации трансляции у эукариот.

Введение

Мотив нуклеиновой кислоты в молекулярной биологии. Последовательность консенсуса Козака (консенсус Козака или последовательность Козака) — это мотив нуклеиновой кислоты, функционирующий как сайт инициации трансляции белка в большинстве эукариотических мРНК. Считается оптимальной последовательностью для инициации трансляции у эукариотов, эта последовательность является неотъемлемой частью регуляции белка и общего здоровья клеток, а также имеет значение при заболеваниях человека. Она обеспечивает корректную трансляцию белка из генетического сообщения, опосредуя сборку рибосом и начало трансляции. Неправильный сайт инициации может привести к образованию нефункциональных белков. По мере углубления исследований были выявлены расширения нуклеотидной последовательности, важные основания и примечательные исключения. Эта последовательность названа в честь ученого, открывшей ее, Мэрилин Козак. Козак обнаружила эту последовательность в результате детального анализа геномных последовательностей ДНК. Последовательность Козака не следует путать с рибосомсвязывающим участком (RBS), который представляет собой либо 5'-кэп мРНК, либо внутренний участок входа рибосомы (IRES).

Отличия от бактериальной инициации

Сканирующий механизм инициирования, использующий последовательность Козака, встречается только у эукариот и имеет значительные отличия от способа инициирования трансляции у бактерий. Главное отличие заключается в наличии последовательности Шайна-Дальгарно (SD) в мРНК у бактерий. Последовательность SD расположена вблизи стартового кодона, в отличие от последовательности Козака, которая фактически включает в себя стартовый кодон. Последовательность Шайна-Дальгарно позволяет 16S-субъединице малой рибосомной субъединицы немедленно связываться со стартовым кодоном AUG (или альтернативным). В отличие от этого, сканирование вдоль мРНК приводит к более тщательному отбору кодона AUG, чем у бактерий. Примером неспецифичности бактериальных стартовых кодонов может служить использование альтернативных кодонов UUG и GUG для некоторых генов. Архейные транскрипты используют комбинацию последовательности SD, последовательности Козака и инициации без лидера. Известно, что у галоархей имеется вариант консенсусной последовательности Козака в генах Hsp70.

Мутации и болезни

Мэрилин Козак продемонстрировала, посредством систематического изучения точечных мутаций, что любые мутации сильной консенсусной последовательности в позиции -3 или в позицию +4 приводили к значительному нарушению инициирования трансляции как in vitro, так и in vivo. Исследования показали, что мутация G>C в позиции -6 гена β-глобина (β+45; человек) нарушала гематологическую и биосинтетическую функцию фенотипа. Это была первая мутация, обнаруженная в последовательности Козака, и она привела к 30-процентному снижению трансляционной эффективности. Она была обнаружена в семье из Юго-Восточной Италии, члены которой страдали от талассемии intermedia. Мутации в последовательности Козака также могут оказывать существенное влияние на здоровье человека; в частности, некоторые формы врожденных пороков сердца вызваны мутациями последовательности Козака в 5'-нетранслируемой области гена GATA4. Ген GATA4 отвечает за экспрессию генов в широком спектре тканей, включая сердце. Когда гуанозин в позиции 6 последовательности Козака гена GATA4 мутирует в цитозин, происходит снижение уровня белка GATA4, что приводит к снижению экспрессии генов, регулируемых транскрипционным фактором GATA4, и связано с развитием дефекта межпредсердной перегородки. Способность последовательности Козака оптимизировать трансляцию может приводить к появлению новых инициаторных кодонов в обычно нетранслируемой области 5'- (5'-UTR) конца транскрипта мРНК. Мутация G в A была описана Bohlen et al. (2017) в области, подобной последовательности Козака, в гене SOX9, что привело к созданию нового кодона инициирования трансляции в открытой рамке считывания. Корректный инициаторный кодон располагался в области, которая не соответствовала последовательности консенсуса Козака так же точно, как окружающая последовательность нового, выше расположенного сайта инициирования, что привело к снижению эффективности трансляции функционального белка SOX9. У пациента, у которого была обнаружена эта мутация, развилась акампомелическая кампомелическая дисплазия – нарушение развития, вызывающее проблемы со скелетом, репродуктивной системой и дыхательными путями из-за недостаточной экспрессии SOX9.

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.