Was hindert nicht aminoacylierte tRNA daran, an mRNA auf dem Ribosom zu binden und die Proteinsynthese zu stören?

Kurze Antwort

Die Codon-gerichtete nicht-enzymatische Bindung von tRNA (aminoacyliert oder nicht) an die A-Stelle des Ribosoms ist viel schwächer als die (normale) Bindung von Aminoacyl-tRNA, die mit EF-Tu/EF-1 komplexiert ist, die tRNA-Bindung Elongationsfaktor (der nicht-aminoacylierte tRNA diskriminiert). Daher ist es nicht in der Lage, mit letzterem effektiv zu konkurrieren, um die Proteinsynthese zu stören.

Erläuterung

Die für diese Fragestellung relevanten Stadien der Proteinbiosynthese sind unten dargestellt.

In Stufe 1 werden tRNAs mit ihrer zugehörigen Aminosäure in einer durch eine spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase katalysierten Reaktion aminoacyliert .

In Stufe 2 werden aminoacylierte tRNAs (mit Ausnahme der Initiator-tRNA) von einem einzigen Elongationsfaktor (EF-Tu in Prokaryoten, EF-1 in Eukaryoten) erkannt und bilden mit diesem und GTP einen Komplex. Der Elongationsfaktor bildet keinen Komplex mit nicht aminoacylierter (auch als "deacylierter") tRNA, und es wurde gezeigt , dass dies durch strukturelle Unterschiede zu aminoacylierter tRNA verursacht wird. Letzteres ist für die Frage besonders relevant und wird weiter unten ausführlicher erörtert

In Stufe 3 bindet dieser Komplex codonspezifisch an die A-Stelle des Ribosoms. Es ist jedoch wichtig, die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Elongationsfaktor und der A-Stelle des Ribosoms im Vergleich zu der tRNA-Anticodon-Wechselwirkung allein zu verstehen. Letzteres ist natürlich für eine genaue Proteinsynthese notwendig, kann aber als Verhinderung (oder genauer gesagt als Verzögerung) der Dissoziation des Komplexes angesehen werden.

Grundlage der Diskriminierung von nicht-aminoacylierter tRNA

Die Unterscheidung erfolgt auf der Stufe der Bindung durch EF-Tu/EF-1. Was ist über seine strukturellen Grundlagen bekannt? Dies scheint nicht nur eine Erkennung der Aminosäure zu sein, sondern beinhaltet indirekte Auswirkungen auf die Struktur der tRNA und ihre Erkennung durch EF-Tu, wie in der Veröffentlichung der Aarhus-Gruppe von 1996 diskutiert wird, die die Struktur der Aminoacyl-tRNA aufklärte .EF-Tu-Komplex . Ich zitiere:

Deacylierte tRNA bindet an EF-Tu-GTP mit einer Affinität, die etwa vier bis fünf Größenordnungen geringer ist als die von aa-tRNA. Somit ist die Aminoacylgruppe ein primäres Unterscheidungsmerkmal bei der ternären Komplexbildung. Dies ist allein durch die direkten Wechselwirkungen mit der Aminoacylgruppe nicht zu erklären. Andere Strukturmerkmale der aa-tRNA müssen zur Affinität beitragen.
Es gibt seit langem Forschungen zu den Konformationsänderungen von tRNA bei der Aminoacylierung. Fluoreszenzstudien … haben gezeigt, dass bei der Aminoacylierung Konformationsänderungen auftreten, wenn auch auf unterschiedliche Weise zwischen den einzelnen Akzeptoren.

Ein konkreter struktureller Unterschied wird diskutiert:

Es ist offensichtlich, dass die Aminoacylierung von tRNA den Konformationsraum des terminalen A76 beträchtlich einschränkt. Verglichen mit der Kristallstruktur des ternären Komplexes sind die Reste A73 bis C75 von deacyliertem tRNA-Phe (PDB-Eintragscode 4TNA) in einer äquivalenten Konformation, wenn auch in ihrer Position relativ zur Akzeptorhelix leicht verschoben. Der terminale A76-Rest in deacylierter tRNAPhe nimmt jedoch eine Konformation an, die in der phenylalanylierten Form unmöglich ist (Fig. 7).

[Nicht acylierte freie tRNA ^Phe (links) und acylierte Phe-tRNA ^Phe des ternären Komplexes (rechts)]

Es ist ersichtlich, dass sich die Reste 73–76 in der Nähe des 3'-Endes der tRNA befinden, wo das Phenylalanin (Phe) gebunden ist.

Evolutionäre Perspektive

Man nimmt an, dass die primitive Proteinsynthese keine Elongationsfaktoren beinhaltete. Wichtig wäre gewesen, die unproduktive Bindung von nicht-aminoacylierter tRNA an das Ribosom und die in der Fragestellung postulierte Konkurrenz mit aminoacylierter tRNA zu verhindern. Ein erster Schritt in diese Richtung könnte die Entwicklung einer ribosomalen A-Stelle gewesen sein, die zwischen den Strukturen von aminoacylierter und nicht-aminoacylierter tRNA unterscheiden könnte. Die Entwicklung des tRNA-bindenden Elongationsfaktors sowie die Effizienzsteigerung des Prozesses hätten diese Diskriminierung, die im Bereich von 10-200x liegt , je nach Konzentration der Magnesiumionen (die die Bindung von nicht-aminoacylierter tRNA künstlich verstärken) verstärkt. .

Bei einigen Bakterien wurde gezeigt, dass ungeladene tRNAs an das Ribosom binden. Tatsächlich ist diese Bindung für die "stringente Reaktion" verantwortlich, ein Mechanismus, der signalisiert, dass der Zelle die Aminosäuren ausgehen ^1,2 .

Aus Raina & Ibba (2014):

RelA ist eine Ribosomen-assoziierte (p)ppGpp-Synthase, die das Vorhandensein ungeladener tRNAs wahrnimmt, die sich an der Ribosomen-A-Stelle als Ergebnis der Aminosäurelimitierung ansammeln. Das Vorhandensein der ungeladenen tRNA wirkt als Effektormolekül, blockiert die Proteinsynthese und aktiviert RelA, das dann pppGpp und ppGpp durch Phosphorylierung von GTP oder GDP unter Verwendung von ATP als Phosphatdonor synthetisiert (Haseltine und Block, 1973; Sy und Lipmann, 1973).

Ein ähnlicher Mechanismus wurde vorgeschlagen, um in Eukaryoten ^1,3,4 zu funktionieren .

Wieder aus demselben Abschnitt von Raina & Ibba (2014):

Es wurde vorgeschlagen, dass die Unterscheidung zwischen geladener und ungeladener tRNA durch Gcn2p über einen analogen Mechanismus der RelA-Proteinaktivierung erfolgt, wie er in E. coli durch das Vorhandensein von ungeladener tRNA an der Decodierungsstelle (A) auf translatierenden Ribosomen beobachtet wird. Die Aktivierung von Gcn2p durch ungeladene tRNA erfordert seine Assoziation mit dem Ribosom über seine C-terminale Region sowie Wechselwirkungen zwischen dem N-Terminus von Gcn2p und dem Gcn1p-Gcn20p-Proteinkomplex, der ebenfalls mit dem Ribosom assoziiert ist.

Und aus dem letzten Absatz der Diskussion in Dong et. Al. (2000):

Wir haben zuvor argumentiert, dass ungeladene tRNAs, die an die Dekodierstelle (A) des Ribosoms gebunden und mit ihren zugehörigen Codons in der mRNA basengepaart sind, GCN2 aktivieren (15).

Verweise:

1. Raina, M., & Ibba, M. (2014). tRNAs als Regulatoren biologischer Prozesse. Grenzen der Genetik, 5, 171.

2. Haseltine, WA, & Block, R. (1973). Die Synthese von Guanosintetra- und -pentaphosphat erfordert das Vorhandensein einer Codon-spezifischen, ungeladenen Transfer-Ribonukleinsäure an der Akzeptorstelle von Ribosomen. Proceedings of the National Academy of Sciences, 70(5), 1564-1568.

3. Dong, J., Qiu, H., Garcia-Barrio, M., Anderson, J., & Hinnebusch, AG (2000). Ungeladene tRNA aktiviert GCN2, indem sie die Proteinkinase-Einheit von einer zweiteiligen tRNA-Bindungsdomäne verdrängt. Molecular cell, 6(2), 269-279.

4. Ramirez, MANUEL, Wek, RC, & Hinnebusch, AG (1991). Ribosomenassoziation von GCN2-Proteinkinase, einem translationalen Aktivator des GCN4-Gens von Saccharomyces cerevisiae. Molekular- und Zellbiologie, 11(6), 3027-3036.