Warum ist AUG das Initiationscodon?

Eine gute Frage (wenn auch etwas verwechselt bei Transkription vs. Übersetzung!)

AUG ist nicht immer das Startcodon, aber was auch immer das Codon ist, es wird immer für Methionin (oder fMet, aber immer noch eine Variation von Met) kodieren, selbst wenn das Codon ansonsten für eine andere Aminosäure kodiert. Für die Anordnung dieses ersten Schritts wird eine separate Transfer-RNA (tRNAi, die Initiator-tRNA) verwendet, die von eIF2 [in Eukarya] geleitet wird.

Insofern stellt sich weniger die Frage „warum AUG“ als vielmehr „warum diese spezifische Initiator-tRNA“, die Antwort lautet, dass sie bestimmte Sequenzelemente und Modifikationen aufweist, die sie von den elongierenden tRNAs unterscheiden, die Elongationsfaktoren binden und somit gezielt an das Ribosomal gerichtet sind A- und B-Stellen anstelle der ribosomalen P-Stelle (wobei die Funktion von der Form abhängt, ist sie im Grunde so geformt, dass sie die Transkription einleitet, anstatt ein bestehendes Polypeptid der entstehenden Kette zu verlängern).

"Identitätselemente scheinen die Struktur der Initiator-tRNA fein abzustimmen, und es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass der Körper der tRNA an der Übertragung des Signals beteiligt ist, dass das Startcodon an den Rest des Prä-Initiationskomplexes gefunden wurde." — Kolitz und Lorsch, 2010

Die anderen Startcodons stammen nur aus natürlicher chemischer Variation (oder Evolution, wie auch immer Sie es betrachten möchten), was zu unterschiedlichen Codon-erkennenden Proteinformen führt.

Die Maschinerie zum Starten der Übersetzung funktioniert und ist als solche "konserviert" - die Evolution hat sie beibehalten, und deshalb ist es immer das gleiche Codon (mehr oder weniger). Archaea haben einen sehr ähnlich geformten tRNAi-Akzeptorstamm und sind ein ebenso guter Ligand, was zeigt, wie alt das System ist und eine Vorstellung davon gibt, wie grundlegend schwierig es für einen Organismus sein muss, ein solches System durch Mutation zu verändern (3,5 Milliarden Jahre der Evolution kann nicht falsch sein! etc. haha).

Um nicht nur den Teil zu beschönigen, in dem ich sagte, dass auch Nicht-AUG-Codons verwendet werden (in Hefe- und Säugetierzellen), stammt das Folgende aus einer Studie, in der festgestellt wurde, dass das Ändern von 1 (und nur 1) der AUG-Basen immer noch zulässig ist Übersetzungsinitiierung:

„Natürlich auftretende Fehlerkennungen weisen darauf hin, dass die Unterscheidung zweier nahezu verwandter Basenpaar-Codons vom perfekten AUG-Codon mit drei Basenpaaren fehleranfällig ist. Mutationen in Translationsinitiationsfaktoren wie eIF1 und eIF2b erhöhen das Ausmaß dieser Fehler weiter.

Zwei Basenpaarungswechselwirkungen zwischen Nicht-AUG-Codons und dem Anticodon der Met-tRNAi reichen aus, um die Translationsinitiation auszulösen, was darauf hindeutet, dass Wildtyp-eIF1 eine Rolle bei der Überwachung der richtigen Basenpaarungswechselwirkungen spielt, wenn nach der AUG-Startstelle gesucht wird. Es würde vorhergesagt werden, dass die Met-tRNAi, keine verwandte tRNA, die zu einem einzelnen Nicht-AUG-Codon passt, bei der Translationsinitiierung an diesen Nicht-AUG-Startcodons verwendet wird.

Der Translationsinitiationskomplex bindet im Gegensatz zu anderen tRNAs nur die Met-tRNAi, da Met-tRNAi einzigartige Sequenz- und Strukturmerkmale aufweist, die es ihm ermöglichen, auf eIF2 des ternären Komplexes geladen zu werden und es ihm ermöglichen, in die P-Stelle des Ribosoms zu passen " — Maduzia et al ., 2010

Grundsätzlich besteht Konsens darüber, dass es nicht wirklich möglich ist zu sagen, warum das Methionin-Codon "nur eine strukturelle Sache ist", was wirklich ein bisschen wie ein Zirkelschluss ist.

Aus neuerer empirischer Forschung (Wang et al., 2018) zu Eukaryoten geht hervor, dass die Nicht-AUG-Startcodons im Grunde eine kontextabhängige [Übersetzungsinitiierungs-]Effizienz haben, während AUG eine „sichere Sache“ ist, dh die Nukleotide, die es umgeben, haben wenig Einfluss auf seine Effizienz.

Dafür gibt es einige theoretische biochemische Erklärungen, die ich einfach so zitiere, wie sie sind:

Wir haben gezeigt, dass Nicht-AUG-Codons stärker von ihrem umgebenden Nukleotidsequenzkontext abhängig sind als AUG-Codons. Basenpaarung zwischen einem AUG-Startcodon und Anticodon der Initiator-tRNA zusammen mit Wechselwirkungen zwischen dem scannenden Ribosom und den Nukleotiden, die das Startcodon umgeben (z. B. die Interaktion zwischen Arg55 des eukaryontischen Initiationsfaktors 2a und der -3-Position [...]) bewirken, dass sich der Präinitiationskomplex von einer offenen Konformation in eine geschlossene Konformation verschiebt, so dass eine Translationsinitiierung stattfinden kann. Die meisten Präinitiationskomplexe werden einer Translationsinitiation unterzogen, wenn sie auf ein AUG-Startcodon treffen, unabhängig davon, ob es sich um einen effizienten oder ineffizienten Kontext handelt, da die starke Wechselwirkung zwischen Codon und Anticodon genügend Energie liefert, um die Konformationsverschiebung voranzutreiben. Jedoch, Fehlpaarungen zwischen einem Nicht-AUG-Startcodon und dem Anticodon verringern die Bindungsenergie von Codon und Anticodon. Daher werden die Beiträge von Wechselwirkungen zwischen dem Präinitiationskomplex und den „Kontextnukleotiden“ wahrscheinlich signifikanter und notwendiger. Wir haben auch gezeigt, dass der Sequenzkontext, insbesondere die +4-Position, die Effizienz jedes Nicht-AUG-Startcodons unterschiedlich beeinflusst. Der beobachtete differentielle Effekt der +4-Position zeigt, dass Sequenzeigenschaften Codon-spezifische Effekte auf die TIS-Effizienz haben können. Es ist möglich, dass es andere Eigenschaften mit Codon-spezifischen Effekten gibt. Darüber hinaus können Unterschiede in diesen Eigenschaften zwischen Reportern erklären, warum einige frühere Studien GUG oder ACG als das effizienteste Nicht-AUG-Startcodon identifiziert haben [...], während andere mit unseren Ergebnissen übereinstimmen [...].

In der Veröffentlichung wird auch darauf hingewiesen, dass in einigen Eckfällen (spezifischen Sequenzen) eine Sequenz, die ein Nicht-AUG-Codon enthält, "so effizient wie" eine andere Sequenz sein kann, die ein AUG enthält. (Aus dem Boxplot sieht es für mich so aus, als hätten einige Nicht-AUG-Sequenzen eine bessere Effizienz als einige AUG-Sequenzen, aber das Papier formuliert es als "so gut wie".)

Wie auch immer, diese Umkehrung der Effizienz tritt nur in bestimmten Sequenzen auf. Im Durchschnitt über alle Sequenzen hat AUG den besten Wirkungsgrad.

Wenn wir [weiter zurück in der Evolutionszeit] zu den Prokaryoten gehen, wurde 2017 eine ähnliche Studie aller potenziellen Startcodons an E. coli durchgeführt . Etwas anders sieht es in dem Sinne aus, dass die AUG in Sachen Effizienz zwar immer noch die Nase vorn hat, aber zusammen mit der GUG und der UUG einen eigenen Cluster bildet, der den anderen weit voraus ist.

Die Standarderklärung dafür, die ich in einer Rezension gefunden habe, ist, dass AUG, GUG und UUG alle von fMet-tRNAfMet dekodiert werden. (Auch hier in einer Antwort gegeben , basierend auf einer älteren Rezension.) Tatsächlich bietet die ältere Rezension ein bisschen mehr Einblick:

AUG ist das häufigste Initiatorcodon, da es die stabilste Wechselwirkung mit dem CAU-Anticodon in fMet-tRNA bildet

Natürlich könnte man genauso fragen, wie es dazu kommt, dass dieses Enzym zusammen mit den Startcodons (die es dekodiert) entwickelt wurde. Aber darauf habe ich keine Antwort gefunden. Ich werde das wahrscheinlich als separate Frage stellen.

Zunächst einmal ist es die kodierende Sequenz , der offene Leserahmen (ORF), und nicht das Gen, das mit einem AUG beginnt. Außerdem gibt es tatsächlich einige ORFs, die mit unterschiedlichen Initiationscodons beginnen, sie sind eher die Ausnahmen als die Norm.

Was die Notwendigkeit betrifft, können Sie sich START- und STOP-Codons als Interpunktion vorstellen. Das AUG wird wie der erste (große) Buchstabe eines Satzes gelesen (wenn Sie mir erlauben, die Definition der Interpunktion ein wenig zu erweitern). Informieren Sie sich über den Übersetzungsprozess , das Ribosom heftet sich an das mRNA-Molekül, das UTRs enthält , es verwendet das AUG-Codon als Hinweis darauf, dass es jetzt mit der Übersetzung beginnen sollte.

UTRs sind die untranslatierten Regionen und enthalten oft regulatorische Sequenzen, die die Translation kontrollieren können. Diese sollten jedoch nicht im endgültigen Proteinprodukt enthalten sein, sodass die Zellmaschinerie wissen muss, wo die UTR endet und die codierende Sequenz beginnt.

Interpretation der Frage

Hier gibt es zwei Fragen. Der über alternative Startcodons ist sachlich und wurde von Louis Maddox gut beantwortet. Die andere ist eine evolutionäre Frage, die ich neu formulieren würde

„Warum wurde Methionin als initiierende Aminosäure ausgewählt?“

Wie Louis Maddox hätte ich gesagt, dass dies fast unmöglich zu beantworten ist. Es stellt sich jedoch heraus, dass es mindestens eine Hypothese gibt – vielleicht im Zusammenhang mit den Kommentaren zu Maddox 'Antwort –, daher halte ich es für nützlich, sie vorzustellen und zu diskutieren.

Die regulatorische Hypothese für Methionin als Initiator

Diese Hypothese wurde von Bhattacharyyaa und Varshney in einem Artikel in RNA Biology (2016) vorgestellt . (Für den Zugriff auf die Vollversion kann ein persönliches oder institutionelles Abonnement erforderlich sein.) Ihre Argumentation lässt sich wie folgt zusammenfassen:

• Methionin spielt in Proteinen keine Rolle, die andere Seitenketten aliphatischer Aminosäuren nicht spielen könnten, und ist eine der seltensten Aminosäuren in Proteinen.
• Die Synthese von Methionin hat die höchsten Stoffwechselkosten unter den Aminosäuren
• Die Synthese von Methionin (und N -Formylmethionin) hängt vom Ein-Kohlenstoff-Metabolismus ab.
• Daher hätte seine Annahme als Initiator der Translation sicherstellen können, dass die Proteinsynthese nur dann stattfand, wenn in der Zelle genügend Energie für den Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel und damit für die Proteinsynthese selbst vorhanden war.

• Außerdem würde das Erfordernis von S -Adenosylmethionin für die Methylierung von rRNA und bestimmten tRNAs eine spezifische Kopplung an andere Komponenten der Proteinsynthese darstellen.

  

[Methionin-Synthese – von Berg et al. , Abschnitt 24.2.7 ]

Kommentare

Eine Schwierigkeit, die ich persönlich mit dieser Hypothese habe, ist, dass ich erwarten würde, dass sich zuerst ein Mechanismus entwickelt und erst später eine Regulierung auftritt. Ein möglicher Ausweg wäre, wenn Methionin eine ähnlich hydrophobe Aminosäure wie Norleucin aus dem frühen genetischen Code verdrängt hätte, wie von Alvarez-Carreño et al. . Davor würde man annehmen, dass die Initiation nicht an einem bestimmten Codon stattgefunden hat, wie in Bezug auf eine andere SE-Biologie-Frage diskutiert .

[Formylierung von Methionin – von Berg et al. , Abbildung 29.21 ]