Können Ribosomen ssDNA lesen?

Zusammenfassung

Boten-RNAs, die für die Proteinsynthese in vivo an das Ribosom rekrutiert werden , müssen bestimmte strukturelle Anforderungen erfüllen und mit den Proteininitiationsfaktoren interagieren, die sie an das Ribosom liefern. Generische einzelsträngige DNA (ssDNA) hat diese strukturellen Eigenschaften nicht und kann daher unter natürlichen Bedingungen nicht auf Ribosomen translatiert werden.

Ein einziger berichteter Versuch, auf Desoxyribose basierende Analoga dieser mRNAs unter Bedingungen zu translatieren, die denen innerhalb der Zelle entsprechen, war erfolglos. Obwohl Experimente darauf hindeuten, dass ssDNA in der Lage sein könnte, Transfer-RNA zu binden und eine gewisse Polypeptidsynthese unter nicht-physiologischen Bedingungen zu ermöglichen, spiegelt dies daher nur jene Aspekte der Proteinbiosynthese wider, die Basenpaarungswechselwirkungen zwischen der Botschaft und anderen an der Translation beteiligten RNAs beinhalten. Im Gegensatz dazu umfassen die Stufen, die an der Auswahl des ersten Initiationscodons und der Erkennung von Terminationscodons beteiligt sind, Wechselwirkungen zwischen Proteinfaktoren und der Botschaft, wobei die Erkennung einer Hydroxylgruppe in der 2'-Position (und Unterscheidung zwischen Thymin und Uracil) gut sein kann auftreten und die Übersetzung einer synthetischen ssDNA-Botschaft verhindern würden.

Wenn sich für die Ribosomen- und Transfer-RNA-Komponenten des Übersetzungsapparats tatsächlich keine Diskriminierung von DNA entwickelt hat, kann dies daran liegen, dass das System in einer „RNA-Welt“ entstanden ist, bevor sich die DNA entwickelt hat, und weil freie ssDNA in der Zelle vorhanden ist nie ein Konkurrent mit mRNA für Ribosomen gewesen, insbesondere nachdem ausgeklügelte proteinbasierte Systeme für die Auswahl des geeigneten Initiationscodons entstanden sind.

Zeitgenössische physiologische Wechselwirkungen von mRNA mit Ribosomen

Die Translation von mRNA durch Ribosomen (Proteinbiosynthese) ist ein komplexer Prozess, der in eine Reihe von Phasen unterteilt werden kann, an denen im Allgemeinen jeweils eine Vielzahl von RNA- und Proteinmolekülen beteiligt sind – Initiationsfaktoren (IF), Elongationsfaktoren (EF) und Terminations- oder Freisetzungsfaktoren (RF). Dem Leser, der damit nicht vertraut ist, wird empfohlen, einen Lehrbuchbericht wie den in Kapitel 29 von Berg et al.. Kurz zusammengefasst sind dies jedoch: Auswahl des richtigen AUG (normalerweise) auf der mRNA zur Initiierung, IF-abhängige Bindung der Initiator-tRNA an die P-Stelle, EF-abhängige und Codon-gerichtete Bindung einer Elongator-tRNA , Peptidbindungsbildung, katalysiert durch die große ribosomale Untereinheit, EF-abhängige Translokation und schließlich Stop-Codon-gesteuerte und RF-abhängige Freisetzung der vollständigen Polypeptidkette.

Der erste Schritt ist entscheidend für die Bindung natürlicher mRNAs – das Thema dieser Frage. Unter natürlichen zellulären Bedingungen verfügen Prokaryoten und Eukaryoten über unterschiedliche Methoden, um sicherzustellen, dass das Ribosom mit dem richtigen mRNA-Codon interagiert, um die Translation zu starten. In Prokaryoten muss ein spezifisches Ribosomen-Bindungssignal ( Shine- und Dalgarno-Sequenz ) mit der 16S-rRNA interagieren, und an diesem Schritt ist ein bestimmtes Initiationsfaktor-Protein beteiligt. Bei Eukaryoten besteht die Hauptmethode in der Erkennung einer modifizierten 5'-Struktur auf der mRNA und der Auflösung der Sekundärstruktur, die ebenfalls durch Proteininitiationsfaktoren moduliert wird.

Mir ist ein Bericht über einen Versuch bekannt, ein DNA-basiertes Analogon solcher natürlicher mRNA-Strukturen unter beliebigen Bedingungen zu übersetzen. Dies wurde von Damian et al. (Biochim. Biophys. Res. Commun 385, 296–301 (2009)) und war erfolglos, obwohl physikalische Methoden eine Bindung an das Ribosom anzeigten. Ich nehme an, dass die Erkennung durch die Proteininitiationsfaktoren nicht erfolgte, aber ich kann nicht sicher sein, dass auch die Basenpaarung mit der 16S-rRNA behindert wurde.

Unabhängig davon kann man die gestellte Frage beantworten:

Die Tatsache, dass „zufälliger“ einzelsträngiger DNA die strukturellen Merkmale für die Auswahl des richtigen Initiationscodons fehlen würden, erklärt, warum sie unter natürlichen Bedingungen nicht translatiert würde – sie könnte nicht an das Ribosom binden.

Künstliche Systeme der Proteinsynthese

Die vollständigen Details der Reaktionen am Ribosom kristallisierten sich erst nach und nach heraus. Dennoch verhinderte das mangelnde Verständnis der für die Bindung an das Ribosom erforderlichen Merkmale natürlicher mRNA weder die Zerlegung nachfolgender Schritte der Proteinbiosynthese noch die Verwendung ribosomaler Systeme zur Entschlüsselung des genetischen Codes. Denn durch geeignete unphysiologische Bedingungen, die es Polynukleotiden oder Oligonukleotid-Tripletts ermöglichten, an das Ribosom zu binden, konnten die ersten Schritte umgangen werden, wo weitere Reaktionen möglich waren, wenn auch im Allgemeinen weniger effizient als in der Zelle. Zu diesen Bedingungen gehörten hohe Konzentrationen von Magnesiumionen und bestimmte Antibiotika, die die Genauigkeit der Proteinsynthese beeinträchtigen. Es wurde vorgeschlagen, dass die Neutralisierung der Ladung auf den Rückgratphosphaten der RNA durch Mg²⁺ verstärkt (unspezifische hydrophobe Wechselwirkungen am mRNA-Bindungskanal, und dass die Antibiotika einen Zustand des Ribosoms stabilisieren, in dem Amino-Acyl-tRNA leichter binden kann (und somit die Bindung von Polynukleotiden durch Basenpaarung fördert). Einmal gebunden an die Codons, die über Wasserstoffbrücken an die verwandten Anticodons der tRNA gebunden sind, hingen nachfolgende Elongationsreaktionen von anderen Komponenten des Ribosoms als dem künstlichen Boten ab.

So wurde der genetische Code unter Verwendung von bakteriellen zellfreien Systemen entschlüsselt, denen einfache synthetische Polynukleotide hinzugefügt wurden, denen Shine- und Dalgarno-Sequenzen oder Start- (oder Stopp-) Codons fehlten; und durch Experimente, in denen Aminoacyl-tRNAs in Abwesenheit von sowohl IFs als auch EFs an Triplett-Codons gebunden wurden. Andere Teilreaktionen der Proteinsynthese wurden auf ähnliche Weise künstlich seziert – die Peptidyltransferase-Reaktion wurde an isolierten 50S-Untereinheiten untersucht, wobei nur ein Fragment von tRNA und Puromycin verwendet wurde, indem die Reaktion in 50% Ethanol durchgeführt wurde!

Experimente mit einzelsträngiger DNA

Mit dem Verständnis, dass Ribosomen unter bestimmten künstlichen Bedingungen dazu veranlasst werden können, „Nicht-mRNA“-Oligo-Ribonukleotide zu binden und zu translatieren, sind wir in der Lage, die Bedeutung von Berichten über die Translation von Oligo-Desoxyribonukleotiden – ssDNA – zu berücksichtigen.

Die ursprünglichen Experimente auf diesem Gebiet von McCarthy und Holland im Jahr 1965 zeigten, dass denaturierte DNA aus verschiedenen Quellen (einschließlich Tierzellen) den Einbau radioaktiver Aminosäuren in ein bakterienzellfreies System stimulieren konnte, aber dies hing von der Anwesenheit von Antibiotika ab. Darüber hinaus wurde in Khoranas Labor gezeigt, dass nur bestimmte synthetische Poly-Desoxynukleotide (analog zu den Poly-Ribonukleotiden, die er zur Entschlüsselung des genetischen Codes verwendete) aktiv waren. Somit scheint es, dass unter den nicht-physiologischen Bedingungen, die eine promiskuitive Bindung von Poly- und Oligo-Ribonukleotiden begünstigen, eine gewisse Bindung von ssDNA und anschließende Translation stattfindet.

Ein von @Mesentery erwähntes Papier von Ricker und Kaji berichtet, dass Oligodesoxynukleotide bei einigen Teilreaktionen (fmet-tRNA-Bindung) funktionieren könnten, bei anderen jedoch nicht. Insbesondere war es nicht möglich, mit Oligonukleotiden, die Terminationscodons enthielten, eine RF-abhängige Terminationsreaktion durchzuführen, aber – in Gegenwart von Antibiotika – kam es zu einer von Freisetzungsfaktoren unabhängigen Termination.

Es ist daher offensichtlich, dass diese Experimente, in denen ssDNA auf Ribosomen translatiert wird, keine physiologische Bedeutung haben. Es ist jedoch immer noch angebracht, die Ergänzung zur Frage des Plakats zu stellen, warum funktioniert das System überhaupt?

Warum werden Desoxyribose (und Thymin) unter künstlichen Bedingungen nicht diskriminiert?

Enzyme der Synthese und des Abbaus von Nukleinsäuren — RNA- und DNA-Polymerasen; Ribonukleasen und Desoxyribonukleasen – sind entweder spezifisch für RNA oder DNA (oder in einigen Fällen DNA/RNA-Hybride). Dies ist sowohl wichtig, um sicherzustellen, dass sie ihre spezifischen Funktionen erfüllen, als auch möglicherweise eine unvermeidliche Folge der Art ihrer Reaktionen – dem Knüpfen oder Brechen von Zucker-Phosphat-Bindungen. Hier haben wir es mit der Katalyse durch ein Proteinenzym zu tun, das diese Strukturen an seinem aktiven Zentrum bindet.

Im Gegensatz dazu beinhalten diejenigen Reaktionen der Proteinsynthese, für die bestimmte Anforderungen unter nichtphysiologischen Bedingungen gelockert werden können, Basenpaarungswechselwirkungen. In modernen Ribosomen können sie durch assoziierte Proteine ​​​​optimiert werden, aber es wird angenommen, dass sich letztere erst später entwickelt haben. Man kann sich vorstellen, dass künstliche Bedingungen wie hohe Konzentrationen von Magnesiumionen oder Antibiotika die wesentlichen Wechselwirkungen ermöglichen, die in „Ur-Ribosomen“ existierten. Und da sich DNA/RNA-Hybride leicht bilden, ist die Beteiligung von DNA an solchen Wechselwirkungen natürlich nicht so überraschend. (In der RNA-Welt der „Ur-Ribosomen“ – oder sogar einer RNA/Protein-Welt – gäbe es keine Notwendigkeit, DNA zu diskriminieren, weil sie noch nicht entstanden ist. Und chemisch könnte die Substitution eines Wasserstoffs für eine Hydroxylgruppe dies tun eine Interaktion nicht behindern – im schlimmsten Fall würde es sie nur schwächen.)

Es ist relevant, dass die gegenwärtigen AUG-Selektions- und Terminationsreaktionen von der RNA-Protein-Wechselwirkung abhängen. Diese könnten sowohl die Erkennung von Ribose als auch von Basensequenzen beinhalten, was die Beobachtungen von Ricker und Kaji sowie von Damian et al. erklärt. , oben erwähnt.

Meine Frage ist, ob die Übersetzung entweder natürlich oder künstlich durch ein Ribosom erfolgen kann, das (einzelsträngige) DNA direkt liest.

Ribosomen sind an der Übersetzung von mRNA in Proteine ​​beteiligt. Weitere Informationen finden Sie im Wikipedia-Artikel

Wenn nicht, würde ich gerne wissen, was es ermöglicht, dass ssRNA übersetzt wird und ssDNA nicht.

Das "wenn nicht" macht keinen Sinn, weil die Beantwortung der ersten Frage mit Ja oder Nein nicht wirklich viel mit der zweiten Frage zu tun hat.

ssRNA und ssDNA bezieht sich auf das genetische Material einiger Viren. Ich glaube nicht, dass wir die Begriffe ssDNA und ssRNA meistens verwenden, um auf ein Virus zu verweisen, das die RNA rückwärts in DNA transkribiert, daher ist Ihre Frage unklar und verwirrend.

Einige Viren transkribieren RNA rückwärts in DNA. Sie tun dies mit einer reversen Transkriptase .

Bei der zweiten Frage möchte ich wissen, welche strukturellen oder chemischen Eigenschaften das Ablesen von RNA, aber nicht von DNA ermöglichen.

Oh ich glaube ich verstehe deine Frage...

Doppelsträngige DNA kann nicht sicher von einem Ribosom übersetzt werden. Ich nehme an, dass ssDNA schließlich in ein Ribosom (oder ein leicht modifiziertes) passen könnte, die tRNA sollte jedoch an die Verwendung angepasst werden Tund nicht U. Ich bin kein Molekularbiologe und mehr kann ich dazu nicht sagen.

Ich möchte wissen, wie DNA, der eine 2-Hydroxygruppe fehlt, und die Verwendung von Thymin anstelle von Uracyl sie für ein Ribosom unlesbar macht

Ich weiß nicht, ob es das tut, und wenn es das tut, dann weiß ich nicht warum! Tut mir leid, mehr kann ich nicht helfen!