Синтез белка: от РНК к полипептиду.

Введение

Клеточный процесс синтеза белка

В биологии трансляция – это процесс в живых клетках, в котором белки производятся с использованием молекул РНК в качестве шаблонов. Образующийся белок представляет собой последовательность аминокислот. Эта последовательность определяется последовательностью нуклеотидов в РНК. Нуклеотиды рассматриваются по три за раз. Каждая такая тройка приводит к добавлению одной специфической аминокислоты к синтезируемому белку. Соответствие между нуклеотидной тройкой и аминокислотой называется генетическим кодом. Трансляция осуществляется большим комплексом функциональных РНК и белков, называемым рибосомами. Весь процесс называется экспрессией генов. В ходе трансляции матричная РНК (мРНК) декодируется в рибосоме вне ядра для получения специфической цепи аминокислот, или полипептида. Полипептид впоследствии сворачивается в активный белок и выполняет свои функции в клетке. Рибосома облегчает декодирование, индуцируя связывание комплементарных антикодонов транспортных РНК (тРНК) с кодонами мРНК. тРНК переносят специфические аминокислоты, которые соединяются в полипептидную цепь по мере прохождения мРНК через рибосому и её "считывания". Трансляция протекает в три фазы:
Инициация: Рибосома собирается вокруг целевой мРНК. Первая тРНК присоединяется к стартовому кодону. Элонгация: Последняя тРНК, проверенная малой рибосомальной субъединицей (аккомодацией), передает аминокислоту. Она переносится к большой рибосомальной субъединице, которая связывает её с одной из предшествующих принятых тРНК (транспептидация). Затем рибосома перемещается к следующему кодону мРНК, чтобы продолжить процесс (транслокация), формируя аминокислотную цепь. Терминация: Когда достигается стоп-кодон, рибосома высвобождает полипептид. Рибосомальный комплекс остается неповрежденным и переходит к следующей мРНК для трансляции. У прокариот (бактерий и архей) трансляция происходит в цитозоле, где большая и малая субъединицы рибосомы связываются с мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитоплазме или через мембрану эндоплазматической сети в процессе, называемом котрансляционной транслокацией. При котрансляционной транслокации весь комплекс рибосомы/мРНК связывается с внешней мембраной шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭПР), и новый белок синтезируется и высвобождается в ЭПР; вновь созданный полипептид может храниться внутри ЭПР для последующего транспорта в везикулах и секреции из клетки или немедленно секретироваться. Многие типы транскрибированной РНК, такие как тРНК, рибосомная РНК и малая ядерная РНК, не подвергаются трансляции в белки. Некоторые антибиотики действуют, ингибируя трансляцию. К ним относятся анизомицин, циклогексимид, хлорамфеникол, тетрациклин, стрептомицин, эритромицин и пуромицин. Прокариотические рибосомы имеют структуру, отличную от эукариотических рибосом, поэтому антибиотики могут специфически воздействовать на бактериальные инфекции, не причиняя вреда клеткам эукариотического хозяина.

In biology, translation is the process in living cells in which proteins are produced using RNA molecules as templates. The generated protein is a sequence of amino acids. This sequence is determined by the sequence of nucleotides in the RNA. The nucleotides are considered three at a time. Each such triple results in addition of one specific amino acid to the protein being generated. The matching from nucleotide triple to amino acid is called the genetic code. The translation is performed by a large complex of functional RNA and proteins called ribosomes. The entire process is called gene expression. In translation, messenger RNA (mRNA) is decoded in a ribosome, outside the nucleus, to produce a specific amino acid chain, or polypeptide. The polypeptide later folds into an active protein and performs its functions in the cell. The ribosome facilitates decoding by inducing the binding of complementary transfer RNA (tRNA) anticodon sequences to mRNA codons. The tRNAs carry specific amino acids that are chained together into a polypeptide as the mRNA passes through and is "read" by the ribosome. Translation proceeds in three phases:
Initiation: The ribosome assembles around the target mRNA. The first tRNA is attached at the start codon. Elongation: The last tRNA validated by the small ribosomal subunit (accommodation) transfers the amino acid. It carries to the large ribosomal subunit which binds it to the one of the preceding admitted tRNA (transpeptidation). The ribosome then moves to the next mRNA codon to continue the process (translocation), creating an amino acid chain. Termination: When a stop codon is reached, the ribosome releases the polypeptide. The ribosomal complex remains intact and moves on to the next mRNA to be translated. In prokaryotes (bacteria and archaea), translation occurs in the cytosol, where the large and small subunits of the ribosome bind to the mRNA. In eukaryotes, translation occurs in the cytoplasm or across the membrane of the endoplasmic reticulum in a process called co translational translocation. In co translational translocation, the entire ribosome/mRNA complex binds to the outer membrane of the rough endoplasmic reticulum (ER), and the new protein is synthesized and released into the ER; the newly created polypeptide can be stored inside the ER for future vesicle transport and secretion outside the cell, or immediately secreted. Many types of transcribed RNA, such as tRNA, ribosomal RNA, and small nuclear RNA, do not undergo a translation into proteins. Several antibiotics act by inhibiting translation. These include anisomycin, cycloheximide, chloramphenicol, tetracycline, streptomycin, erythromycin, and puromycin. Prokaryotic ribosomes have a different structure from that of eukaryotic ribosomes, and thus antibiotics can specifically target bacterial infections without any harm to a eukaryotic host's cells.

Основные механизмы

Основной процесс производства белка — это добавление одной аминокислоты к концу белковой цепи. Эту операцию выполняет рибосома. Рибосома состоит из двух субъединиц: малой и большой. Эти субъединицы объединяются перед трансляцией мРНК в белок, чтобы обеспечить место для осуществления трансляции и образования полипептида. Выбор типа аминокислоты для добавления определяется молекулой мРНК (РНК-мессенджера). Каждая добавляемая аминокислота сопоставляется с трехнуклеотидной последовательностью мРНК. Для каждого такого триплета принимается соответствующая аминокислота. Последовательно добавляемые аминокислоты сопоставляются с последовательными нуклеотидными триплетами в мРНК. Таким образом, последовательность нуклеотидов в матричной цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемой цепи аминокислот. Добавление аминокислоты происходит по C-концу пептида, поэтому трансляцию считают направленной от амино- к карбоксильному концу. мРНК переносит генетическую информацию, закодированную в виде последовательности рибонуклеотидов, от хромосом к рибосомам. Рибонуклеотиды "считываются" трансляционным аппаратом в виде последовательности нуклеотидных триплетов, называемых кодонами. Каждый из этих триплетов кодирует определенную аминокислоту. Рибосомы транслируют этот код в специфическую последовательность аминокислот. Рибосома представляет собой многосубъединичную структуру, содержащую рибосомную РНК (рРНК) и белки. Она является "фабрикой", где аминокислоты собираются в белки. Трансферные РНК (тРНК) — это небольшие некодирующие РНК-цепи (74–93 нуклеотида), которые переносят аминокислоты к рибосоме. Репертуар генов тРНК значительно варьируется между видами: у некоторых бактерий их от 20 до 30, а у сложных эукариот — тысячи. тРНК имеют участок для присоединения аминокислоты и участок, называемый антикодоном. Антикодон — это РНК-триплет, комплементарный триплету мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту. Аминоацил-тРНК-синтетазы (ферменты) катализируют образование связи между специфическими тРНК и аминокислотами, определяемыми их антикодонными последовательностями. Продуктом этой реакции является аминоацил-тРНК. Аминокислота присоединяется к 3'-OH группы тРНК через сложноэфирную связь своей карбоксильной группой. Когда к тРНК присоединена аминокислота, она называется "заряженной". У бактерий эта аминоацил-тРНК доставляется к рибосоме EF Tu, где происходит сопоставление кодонов мРНК с антикодонами тРНК посредством комплементарного спаривания оснований. Аминоацил-тРНК-синтетазы, неправильно соединяющие тРНК с неверными аминокислотами, могут образовывать неправильно заряженные аминоацил-тРНК, что приводит к включению неподходящих аминокислот в белок. Этот "ошибочный перевод" генетического кода естественным образом происходит с низкой частотой в большинстве организмов, но определенные клеточные условия могут увеличить допустимое декодирование мРНК, иногда на благо клетки. Рибосома имеет два сайта связывания тРНК: аминоацильный сайт (обозначается A) и пептидильный/выходной сайт (обозначается P/E). Относительно мРНК три сайта ориентированы 5'–3' как E P A, поскольку рибосомы движутся к 3'-концу мРНК. Сайт A связывает входящую тРНК с комплементарным кодоном на мРНК. Сайт P/E удерживает тРНК с растущей полипептидной цепью. Когда аминоацил-тРНК первоначально связывается со своим соответствующим кодоном на мРНК, она находится в сайте A. Затем между аминокислотой тРНК в сайте A и аминокислотой заряженной тРНК в сайте P/E образуется пептидная связь. Растущая полипептидная цепь переносится на тРНК в сайте A. Происходит транслокация, перемещающая тРНК в сайт P/E (теперь без аминокислоты); тРНК, которая была в сайте A, теперь заряженная полипептидной цепью, перемещается в сайт P/E, а разряженная тРНК покидает сайт A, и другая аминоацил-тРНК входит в сайт A для повторения процесса. После добавления новой аминокислоты к цепи и после высвобождения тРНК из рибосомы в цитозоль, энергия, высвобождаемая при гидролизе ГТФ, связанного с транслоказами EF G (у бактерий) и a/eEF 2 (у эукариот и архей), перемещает рибосому на один кодон к 3'-концу. Энергетические затраты на трансляцию белков значительны. Для белка, содержащего n аминокислот, необходимо 4n + 1 высокоэнергетических фосфатных связей для его трансляции. Скорость трансляции варьируется: она значительно выше в прокариотических клетках (до 17–21 аминокислотного остатка в секунду), чем в эукариотических клетках (до 6–9 аминокислотных остатков в секунду).

The basic process of protein production is the addition of one amino acid at a time to the end of a protein. This operation is performed by a ribosome. A ribosome is made up of two subunits, a small subunit, and a large subunit. These subunits come together before the translation of mRNA into a protein to provide a location for translation to be carried out and a polypeptide to be produced. The choice of amino acid type to add is determined by a messenger RNA (mRNA) molecule. Each amino acid added is matched to a three nucleotide subsequence of the mRNA. For each such triplet possible, the corresponding amino acid is accepted. The successive amino acids added to the chain are matched to successive nucleotide triplets in the mRNA. In this way, the sequence of nucleotides in the template mRNA chain determines the sequence of amino acids in the generated amino acid chain. The addition of an amino acid occurs at the C terminus of the peptide; thus, translation is said to be amine to carboxyl directed. The mRNA carries genetic information encoded as a ribonucleotide sequence from the chromosomes to the ribosomes. The ribonucleotides are "read" by translational machinery in a sequence of nucleotide triplets called codons. Each of those triplets codes for a specific amino acid. The ribosome molecules translate this code to a specific sequence of amino acids. The ribosome is a multisubunit structure containing ribosomal RNA (rRNA) and proteins. It is the "factory" where amino acids are assembled into proteins. Transfer RNAs (tRNAs) are small noncoding RNA chains (74–93 nucleotides) that transport amino acids to the ribosome. The repertoire of tRNA genes varies widely between species, with some bacteria having between 20 and 30 genes while complex eukaryotes could have thousands. tRNAs have a site for amino acid attachment, and a site called an anticodon. The anticodon is an RNA triplet complementary to the mRNA triplet that codes for their cargo amino acid. Aminoacyl tRNA synthetases (enzymes) catalyze the bonding between specific tRNAs and the amino acids that their anticodon sequences call for. The product of this reaction is an aminoacyl tRNA. The amino acid is joined by its carboxyl group to the 3' OH of the tRNA by an ester bond. When the tRNA has an amino acid linked to it, the tRNA is termed "charged". In bacteria, this aminoacyl tRNA is carried to the ribosome by EF Tu, where mRNA codons are matched through complementary base pairing to specific tRNA anticodons. Aminoacyl tRNA synthetases that mispair tRNAs with the wrong amino acids can produce mischarged aminoacyl tRNAs, which can result in inappropriate amino acids at the respective position in the protein. This "mistranslation" of the genetic code naturally occurs at low levels in most organisms, but certain cellular environments cause an increase in permissive mRNA decoding, sometimes to the benefit of the cell. The ribosome has two binding sites for tRNA. They are the aminoacyl site (abbreviated A), and the peptidyl site/ exit site (abbreviated P/E). Concerning the mRNA, the three sites are oriented 5' to 3' E P A, because ribosomes move toward the 3' end of mRNA. The A site binds the incoming tRNA with the complementary codon on the mRNA. The P/E site holds the tRNA with the growing polypeptide chain. When an aminoacyl tRNA initially binds to its corresponding codon on the mRNA, it is in the A site. Then, a peptide bond forms between the amino acid of the tRNA in the A site and the amino acid of the charged tRNA in the P/E site. The growing polypeptide chain is transferred to the tRNA in the A site. Translocation occurs, moving the tRNA to the P/E site, now without an amino acid; the tRNA that was in the A site, now charged with the polypeptide chain, is moved to the P/E site and the uncharged tRNA leaves, and another aminoacyl tRNA enters the A site to repeat the process. After the new amino acid is added to the chain, and after the tRNA is released out of the ribosome and into the cytosol, the energy provided by the hydrolysis of a GTP bound to the translocase EF G (in bacteria) and a/eEF 2 (in eukaryotes and archaea) moves the ribosome down one codon towards the 3' end. The energy required for translation of proteins is significant. For a protein containing n amino acids, the number of high energy phosphate bonds required to translate it is 4n 1. The rate of translation varies; it is significantly higher in prokaryotic cells (up to 17–21 amino acid residues per second) than in eukaryotic cells (up to 6–9 amino acid residues per second).

Начало и окончание перевода

Инициация включает в себя связывание малой субъединицы рибосомы с 5'-концом мРНК с помощью инициационных факторов (IF). У бактерий и небольшого числа архей инициирование синтеза белка включает в себя распознавание богатой пуринами последовательности инициации на мРНК, называемой последовательностью Шайна-Дальгарно. Последовательность Шайна-Дальгарно связывается с комплементарной богатой пиримидинами последовательностью на 3'-конце 16S рРНК части 30S рибосомной субъединицы. Связывание этих комплементарных последовательностей обеспечивает связывание 30S рибосомной субъединицы с мРНК и выравнивание таким образом, чтобы инициаторный кодон оказался в 30S части P-сайта. После того как мРНК и 30S субъединица правильно связаны, инициационный фактор доставляет инициаторный комплекс тРНК-аминокислоты, fMet-тРНК, в 30S P-сайт. Фаза инициации завершается, когда 50S субъединица присоединяется к 30S субъединице, формируя активную 70S рибосому. Терминация полипептида происходит, когда A-сайт рибосомы занят стоп-кодоном (UAA, UAG или UGA) на мРНК, что приводит к образованию первичной структуры белка. тРНК обычно не может распознавать или связываться со стоп-кодонами. Вместо этого стоп-кодон индуцирует связывание белка-релиз-фактора (RF1 и RF2), который вызывает диссоциацию всего комплекса рибосомы/мРНК путем гидролиза полипептидной цепи из пептидилтрансферазного центра. Лекарственные препараты или специальные последовательности мотивов на мРНК могут изменять структуру рибосомы таким образом, что близкородственные тРНК связываются со стоп-кодоном вместо релиз-факторов. В таких случаях «трансляционного прочтения» трансляция продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон.

Ошибки в переводе

Несмотря на то, что рибосомы обычно рассматриваются как точные и процессивные машины, процесс трансляции подвержен ошибкам, которые могут приводить либо к синтезу ошибочных белков, либо к преждевременной остановке трансляции, либо из-за присоединения тРНК к неправильному кодону, либо из-за присоединения тРНК к неверной аминокислоте. Частота ошибок при синтезе белков оценивается от 1 на 10⁵ до 1 на 10³ неправильно включенных аминокислот, в зависимости от экспериментальных условий. Частота преждевременной остановки трансляции, в свою очередь, оценивается как 10⁻⁴ событий на транслируемый кодон.

Регулирование

Процесс трансляции строго регулируется как в эукариотических, так и в прокариотических организмах. Регулирование трансляции может влиять на общую скорость синтеза белка, которая тесно связана 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 генов, структурой мРНК и регуляцией трансляции. Например, исследования с использованием этого метода показали, что генетические различия и их последующая экспрессия в виде мРНК также могут влиять на скорость трансляции специфичным для РНК образом. Развивая эту концепцию, более новым достижением является профилирование рибосом в отдельных клетках – техника, позволяющая изучать процесс трансляции с разрешением на уровне отдельных клеток. Это особенно важно, поскольку клетки, даже одного типа, могут демонстрировать значительную вариабельность в синтезе белка. Профилирование рибосом в отдельных клетках способно пролить свет на гетерогенность клеток, что приведет к более тонкому пониманию того, как регуляция трансляции может влиять на поведение клеток, их метаболическое состояние и реакцию на различные стимулы или условия.

Клиническое значение

Трансляционный контроль имеет решающее значение для развития и выживания рака. Раковые клетки часто регулируют фазу трансляции экспрессии генов, хотя до конца не ясно, почему именно трансляция является мишенью, а не, например, транскрипция. Хотя раковые клетки часто имеют генетически измененные факторы трансляции, гораздо чаще они изменяют уровни существующих факторов трансляции. Несколько основных онкогенных сигнальных путей, включая RAS–MAPK, PI3K/AKT/mTOR, MYC и WNT–β-катенин, в конечном итоге перепрограммируют геном посредством трансляции. Раковые клетки также контролируют трансляцию для адаптации к клеточному стрессу. В условиях стресса клетка транслирует мРНК, которые могут уменьшить стресс и способствовать выживанию. Примером этого является экспрессия AMPK при различных видах рака; ее активация запускает каскад, который в конечном итоге может позволить раку избежать апоптоза (программируемой клеточной гибели), вызванного депривацией питательных веществ. Будущие методы лечения рака могут включать нарушение трансляционного аппарата клетки для противодействия последствиям рака, или другие подходы, учитывающие стохастические аспекты трансляции и использующие компьютерное моделирование. За последние четыре десятилетия было разработано и проанализировано множество моделей синтеза белка, основанных на химической кинетике. Помимо химической кинетики, для моделирования детальной кинетики синтеза белка или некоторых его стадий применялись различные формализмы моделирования, такие как полностью асимметричный простой процесс исключения, вероятностные булевы сети, сети Петри и max-plus алгебра. Разработана базовая модель синтеза белка, учитывающая все восемь «элементарных» процессов, в соответствии с принципом, что «полезные модели просты и расширяемы». Простейшая модель M0 представлена кинетическим механизмом реакции (рис. M0). Она была обобщена для включения связывания 40S, 60S и факторов инициации (IF) (рис. M1'). Дальнейшее расширение включило эффект микроРНК на синтез белка. Большинство моделей в этой иерархии могут быть решены аналитически. Эти решения использовались для выделения «кинетических сигнатур» различных специфических механизмов регуляции синтеза.

Translational control is critical for the development and survival of cancer. Cancer cells must frequently regulate the translation phase of gene expression, though it is not fully understood why translation is targeted over steps like transcription. While cancer cells often have genetically altered translation factors, it is much more common for cancer cells to modify the levels of existing translation factors. Several major oncogenic signaling pathways, including the RAS–MAPK, PI3K/AKT/mTOR, MYC, and WNT–β catenin pathways, ultimately reprogram the genome via translation. Cancer cells also control translation to adapt to cellular stress. During stress, the cell translates mRNAs that can mitigate the stress and promote survival. An example of this is the expression of AMPK in various cancers; its activation triggers a cascade that can ultimately allow the cancer to escape apoptosis (programmed cell death) triggered by nutrition deprivation. Future cancer therapies may involve disrupting the translation machinery of the cell to counter the downstream effects of cancer. or others taking into account stochastic aspects of translation and using computer simulations. Many chemical kinetics based models of protein synthesis have been developed and analyzed in the last four decades. Beyond chemical kinetics, various modeling formalisms such as Totally Asymmetric Simple Exclusion Process, Probabilistic Boolean Networks, Petri Nets and max plus algebra have been applied to model the detailed kinetics of protein synthesis or some of its stages. A basic model of protein synthesis that takes into account all eight 'elementary' processes has been developed, following the paradigm that "useful models are simple and extendable". The simplest model M0 is represented by the reaction kinetic mechanism (Figure M0). It was generalised to include 40S, 60S and initiation factors (IF) binding (Figure M1'). It was extended further to include effect of microRNA on protein synthesis. Most of models in this hierarchy can be solved analytically. These solutions were used to extract 'kinetic signatures' of different specific mechanisms of synthesis regulation.