Warum hat die Translation ein spezifisches Codon für die Initiation entwickelt?

Die Translation von mRNA wird durch eine spezifische Methionin-akzeptierende tRNA an einem spezifischen Initiationscodon, normalerweise AUG (komplementär zum tRNA-Anticodon), initiiert. Die Translation unter geeigneten ( wenn auch unphysiologischen ) Bedingungen in vitro erfordert jedoch kein spezifisches Initiationscodon oder eine spezifische Aminosäure, so dass es nicht schwierig ist, sich ein früheres Stadium in der Evolution des Translationsapparats vorzustellen, in dem dieses spezifische Initiationssystem fehlte. Stattdessen könnte es eine zufällige Initiation oder eine Initiation vom 5'-Ende der mRNA gegeben haben.

Ein spezifisches Initiationscodon schränkt die Sequenz der mRNA ein und fügt dem N -Terminus eine unnötige Aminosäure hinzu – eine, die manchmal unerwünscht ist und entfernt werden muss.

Welche Vorteile kann man sich für die Initiation an einer bestimmten internen Stelle vorstellen, statt etwa am 5′-Ende der mRNA?

Ich weiß, dass es unmöglich ist zu beweisen, welcher Faktor tatsächlich während der Evolution verantwortlich war, aber indem ich um konkrete Erklärungen bitte, vertraue ich darauf, dass diese Frage genauso gültig ist wie das Original, von dem sie abgeleitet ist (siehe Fußnote ).

FUSSNOTE

Diese Frage wurde aus einem Teil einer dreiteiligen Frage erweitert, die vor einiger Zeit zum Thema „Warum ist AUG das Initiationscodon?“ gepostet wurde. . Dies ist kürzlich wieder aufgetaucht, und da niemand diesen bestimmten Teil beantwortet hatte, und da es der Site-Richtlinie entspricht, jeweils eine Frage zu stellen, habe ich beschlossen, sie aus dem Original zu entfernen und hier erneut zu veröffentlichen, damit sie für sich betrachtet werden kann, ohne die Ablenkung von anderen Fragen wie der Wahl des Codons oder von Methionin gegenüber anderen Aminosäuren. Ich werde eine Antwort mit einigen eigenen Gedanken beisteuern, aber natürlich kann jeder mitmachen.

Es könnte einfach sein, zu verhindern, dass zufällige fragmentarische RNA transkribiert wird, schließlich sind sie in der Zelle ziemlich häufig.
@John — Danke für deinen Kommentar. Ich kann es in meine Antwort aufnehmen, wenn Sie nicht selbst antworten werden. Eine Sache – haben Sie eine Referenz, die Ihre Aussage stützt, dass zufällige RNA-Fragmente ziemlich häufig sind?
Es gibt viele Dinge wie Ribosomen, die aus RNA bestehen, Ribonukleasen (die ebenfalls aus RNA bestehen) sind eines der vielen Ribozyme, die transkribiert werden könnten. Es ist auch einer von mehreren Mechanismen, die RNA in kleinere Stücke schneiden. sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867409000671
@ John — Danke. Ich habe Ihren Punkt in meine Antwort aufgenommen.

Antworten (1)

Mir ist nicht klar, wo die Initiation bei der Übersetzung künstlicher Polynukleotide wie (UC) n stattfand , die Khorana in Experimenten verwendete, die nach der Arbeit von Nirenberg und Matthaii halfen, den genetischen Code zu entschlüsseln. Es kann durchaus an zufälligen Positionen statt am 5'-Ende aufgetreten sein. Eine solche Art der Translation wäre offensichtlich verschwenderisch gewesen, wenn sie während der frühen Evolution stattgefunden hätte, da eine Mischung von Produkten gebildet würde, von denen viele inaktiv wären und sogar mit der aktiven Spezies konkurrieren könnten. Wenn dies die ursprüngliche Situation wäre, ist es leicht einzusehen, wie vorteilhaft eine Änderung der Einweihung an einem bestimmten Punkt wäre.

Aber warum nicht am 5'-Ende beginnen? Zeitgenössische eukaryontische Initiationskomplexe erkennen das 5'-Ende der mRNA , obwohl sie dann weiter scannen, um ein spezifisches Initiationscodon zu finden, das auf die Initiator-tRNA reagiert. Da es keine physikalische Trennung von Genen auf einem Chromosom gibt, ist es offensichtlich, warum die Transkription an einem bestimmten Punkt innerhalb der DNA beginnen muss, aber das muss nicht für die Übersetzung einzelner mRNA-Transkripte gelten.

Ich sehe zwei Herangehensweisen an diese Frage.

Die erste ist vom Standpunkt der zeitgenössischen „DNA-Welt“ aus . Zu den Argumenten, die man vorbringen kann, gehören:

  • Im Allgemeinen kann die Initiation am 5'-Ende insofern als restriktiv betrachtet werden, als es dem 5'-Ende der mRNA nicht erlauben würde, andere Funktionen bereitzustellen, wie beispielsweise die Bildung einer Sekundärstruktur zur Regulierung der Translationsfreundlichkeit.
  • Die Initiation am 5'-Ende würde die polycistronischen mRNAs ausschließen , die wir in heutigen Bakterien sehen.
  • Bei der Initiation am 5'-Ende könnte es schwierig gewesen sein, die Enden von mRNAs von anderen RNAs zu unterscheiden, bevor sich die Modifikation von Basen entwickelt hatte, die wir in heutigen eukaryotischen mRNAs sehen.
  • Ebenso könnte, wie von @John in einem Kommentar zu der Frage vorgeschlagen, die Initiation am 5'-Ende die Translation von RNA-Fragmenten verursacht haben, als sie abgebaut wurden .
  • Die Auswahl eines spezifischen Codons war sekundär gegenüber der Notwendigkeit einer einzelnen Initiator-tRNA, die in Bezug auf eine andere SE-Frage diskutiert wurde , obwohl sich die Argumente dort auf neuere Stadien der Evolution beziehen.

Es gibt jedoch einen anderen Ansatz, der die Situation in einer vermeintlichen „RNA-Welt“ betrachtet .

Der Unterschied besteht hier darin, dass – wie bei einigen zeitgenössischen RNA-Viren und Bakteriophagen – das Genom auch die mRNA gewesen sein könnte, aber ohne ein System, um viele Kopien des „Plus“-Strangs für die Übersetzung zu produzieren. Die Translation kann auf der genomischen RNA stattgefunden haben.

  • Um mehrere Proteine ​​zu übersetzen, wäre es vorteilhaft gewesen, mehrere Initiationsstellen an einem polycistronischen Boten zu haben (eher ein Polyprotein wie das Poliovirus zu synthetisieren ).
  • Das 5′-Ende der RNA war möglicherweise in keinem Fall für die Kodierung von Proteinen verfügbar, da es eine andere (z. B. replikative) Funktion haben könnte, und es ist auch möglich, dass ein Teil dessen, was in heutigen Systemen ein separater Teil des ist Übersetzungsapparat wurde physikalisch in das Genom eingebaut.
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