Введение

Кодон, отмечающий конец последовательности, кодирующей белок.

В молекулярной биологии стоп-кодон (или терминальный кодон) – это кодон (нуклеотидный триплет в мРНК), который сигнализирует об окончании процесса трансляции текущего белка. Большинство кодонов в мРНК соответствуют добавлению аминокислоты к растущей полипептидной цепи, которая в конечном итоге может стать белком; стоп-кодоны сигнализируют об окончании этого процесса, связываясь с факторами высвобождения, которые вызывают диссоциацию рибосомных субъединиц и высвобождение аминокислотной цепи. В то время как для начала трансляции стартовым кодонам необходимы расположенные рядом последовательности или факторы инициации, для начала терминации достаточно одного стоп-кодона.

Перевод

В 1986 году были получены убедительные доказательства того, что селеноцистеин (Sec) включается ко-трансляционно. Более того, кодон, частично направляющий его включение в полипептидную цепь, был идентифицирован как UGA, также известный как опальный стоп-кодон. Различные механизмы подавления функции терминации этого кодона были выявлены у прокариот и эукариот. Важным отличием между этими царствами является то, что цис-элементы, по-видимому, ограничены областью вблизи кодона UAG у прокариот, в то время как у эукариот такое ограничение отсутствует. Вместо этого, такие участки кажутся менее предпочтительными, хотя и не запрещенными. В 2003 году была опубликована основополагающая работа, в которой описано выявление всех известных селенопротеинов у человека – всего 25. Аналогичный анализ был проведен и для других организмов. Кодон UAG может кодировать пирролизин (Pyl) аналогичным образом.

Геномное распределение

Распределение стоп-кодонов в геноме организма неслучайно и может коррелировать с содержанием GC. Например, геном E. coli K12 содержит 2705 стоп-кодонов TAA (63%), 1257 стоп-кодонов TGA (29%) и 326 стоп-кодонов TAG (8%) (содержание GC – 50,8%). Кроме того, субстраты для факторов высвобождения 1 и 2, взаимодействующих со стоп-кодонами, сильно коррелируют с частотой встречаемости стоп-кодонов.

Признание

Признание стоп-кодонов в бактериях связывают с так называемым "трипептидным антикодоном" – высококонсервативным аминокислотным мотивом в RF1 (PxT) и RF2 (SPF). Хотя структурные исследования это и подтверждают, было показано, что гипотеза о трипептидном антикодоне является упрощением.

Номенклатура

Стоп-кодоны исторически имели множество различных названий, поскольку каждый из них соответствовал отдельному классу мутантов, проявлявших схожее поведение. Эти мутанты были впервые выделены в бактериофагах (Т4 и лямбда) – вирусах, заражающих бактерии Escherichia coli. Мутации в вирусных генах ослабляли их инфекционную способность, иногда приводя к образованию вирусов, способных заражать и размножаться только в определенных штаммах E. coli.

Мутации янтаря (UAG)

Это был первый набор нонсенс-мутаций, обнаруженных Ричардом Эпштейном и Чарльзом Штайнбергом и названных в честь их друга и аспиранта Калифорнийского технологического института Харриса Бернштейна, чья фамилия означает "янтарь" на немецком языке (ср. Бернштейн). Вирусы с янтарными мутациями характеризуются способностью инфицировать только определенные штаммы бактерий, известные как янтарные супрессоры. Эти бактерии несут в себе собственную мутацию, позволяющую восстановить функцию мутантных вирусов. Например, мутация в тРНК, распознающей янтарный стоп-кодон, позволяет трансляции "прочитывать" этот кодон и производить белок полной длины, тем самым восстанавливая нормальную форму белка и "подавляя" янтарную мутацию. Таким образом, янтарные мутанты представляют собой целый класс вирусных мутантов, способных расти в бактериях, содержащих янтарные супрессорные мутации. Подобные супрессоры известны также для охристых и опаловых стоп-кодонов. Молекулы тРНК, несущие неестественные аминокислоты, были разработаны для распознавания янтарного стоп-кодона в бактериальной РНК. Эта технология позволяет включать ортогональные аминокислоты (такие как p-азидофенилаланин) в определенные позиции целевого белка.

Мутации охры (UAA)

Это была вторая мутация стоп-кодона, которая была обнаружена. Напоминающий обычный желто-оранжево-коричневый цвет, ассоциирующийся с янтарем, этот второй стоп-кодон получил название "охра" – оранжево-красновато-коричневый минеральный пигмент.

мутации опала или омбера (UGA)

Третий и последний стоп-кодон в стандартном генетическом коде был открыт вскоре после этого и соответствует нуклеотидной триплету "UGA". В продолжение темы цветных минералов, третий бессмысленный кодон получил название "опал" – разновидность кремнезёма, проявляющая разнообразие цветов, связанную с глазными заболеваниями и нарушениями нейроразвития.

Скрытые остановки

Скрытые стоп-кодоны – это не-стоп кодоны, которые могли бы считываться как стоп-кодоны при сдвиге рамки чтения на +1 или -1. Они преждевременно завершают трансляцию, если соответствующий сдвиг рамки (например, из-за проскальзывания рибосомальной РНК) происходит до достижения скрытого стоп-кодона. Предполагается, что это снижает расход ресурсов на нефункциональные белки и образование потенциальных цитотоксинов. Исследователи из Университета штата Луизиана выдвинули гипотезу «засады», согласно которой скрытые стоп-кодоны подвергаются отбору. Кодоны, способные формировать скрытые стоп-кодоны, используются в геномах чаще, чем синонимичные кодоны, кодирующие ту же аминокислоту. Нестабильность рРНК в организме коррелирует с более высокой частотой встречаемости скрытых стоп-кодонов. Однако подтвердить эту гипотезу на большем наборе данных не удалось. Стоп-кодоны и скрытые стоп-кодоны вместе обозначаются как стоп-сигналы. Исследователи из Университета Мемфиса обнаружили, что соотношения стоп-сигналов на трех фазах считывания генома (обозначаемое как соотношение стоп-сигналов трансляции или TSSR) у генетически родственных бактерий, несмотря на значительные различия в составе генов, весьма схожи. Это почти идентичное геномное значение TSSR у генетически связанных бактерий может указывать на то, что расширение бактериального генома ограничено специфическим уклоном в использовании стоп-сигналов, характерным для данного вида бактерий.

Переводный просмотр

Супрессия стоп-кодона или трансляционное прочтение происходит, когда в процессе трансляции стоп-кодон интерпретируется как кодирующий аминокислоту, то есть когда (стандартная) аминокислота "кодируется" стоп-кодоном. Причиной прочтения могут быть мутировавшие тРНК, а также определенные нуклеотидные мотивы вблизи стоп-кодона. Трансляционное прочтение широко распространено у вирусов и бактерий, а также обнаружено как принцип регуляции генов у человека, дрожжей, бактерий и дрозофил. Этот вид эндогенного трансляционного прочтения представляет собой вариацию генетического кода, поскольку стоп-кодон кодирует аминокислоту. В случае человеческой малоатдегидрогеназы стоп-кодон считывается с частотой около 4%. Аминокислота, встраиваемая вместо стоп-кодона, зависит от его идентичности: для кодонов UAA и UAG обнаружены Gln, Tyr и Lys, а для кодона UGA – Cys, Trp и Arg, что было установлено с помощью масс-спектрометрии. Степень прочтения у млекопитающих сильно варьируется и может значительно разнообразить протеом и влиять на прогрессирование рака.

Используйте в качестве водяного знака

В 2010 году, когда Крейг Вентер представил первую полностью функционирующую и размножающуюся клетку, управляемую синтетической ДНК, он описал, как его команда использовала частые стоп-кодоны для создания водяных знаков в РНК и ДНК, чтобы подтвердить, что результаты действительно были синтетическими (а не загрязнены или получены иным путем), кодируя с их помощью имена авторов и адреса веб-сайтов.