核糖体彻底水解的原理,核糖体为什么可以生成水

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-02-14 07:50:36

当核糖体到达编码序列的末端并且终止密码子进入A位点时,翻译进入终止(termination)阶段。此阶段主要包括新生肽链的释放与核糖体的解离等过程。

在大多数生物中,64个密码子中的三个(UAA,UAG和UGA)用作翻译终止信号,称为终止密码子(termination codon),也叫无义密码子(nonsense codon)。与有义密码子不同,终止密码子的识别不依赖于tRNA,而是通过I类释放因子进行的。

参与翻译起始的蛋白因子称为起始因子,参与延伸的叫延伸因子(eIF5A除外)。而参与翻译终止的因子换了个名字,叫做释放因子(release factor,RF)。这是因为它们参与新生肽链的释放过程。

释放因子分为两类,I类因子负责终止密码子识别和肽基tRNA水解。II类因子具有GTP酶活性,可以辅助I类因子进入PTC(肽基转移酶中心)。

核糖体彻底水解的原理,核糖体为什么可以生成水(1)

I类释放因子的作用机制。RNA. 2011 Aug; 17(8): 1409–1421.

原核生物的I类释放因子是RF1和RF2,前者识别UAA和UAG,后者识别UAA和UGA。真核生物和古细菌都只有一个I类因子,真核的叫做eRF1,古细菌的叫aRF1。eRF1和aRF1彼此同源,但是与细菌的几乎没有序列同源性。

虽然没有明显的进化关系,但I类释放因子的外形均类似tRNA。原核的I类因子由4个结构域组成。其中结构域2含有三肽序列(RF1中是PVT,RF2中是SPF),称为三肽反密码子(TA)基序,可通过类似密码子-反密码子的相互作用来识别终止密码子。

核糖体彻底水解的原理,核糖体为什么可以生成水(2)

RF1和RF2与终止密码子的相互作用。RNA. 2011 Aug; 17(8): 1409–1421.

结构域3类似于tRNA受体茎,可进入到PTC中以促进肽链释放。该结构域包含一个Gly-Gly-Gln(GGQ)基序,对于促进肽基tRNA水解至关重要。这些三肽基序是I类释放因子中趋同进化的一个例子,是高度保守的。

在作用过程中,I类RF经历了从封闭(closed)到开放(open)的构象变化。这个变化过程主要是域1和3的变化,2和4构成稳定的结构核心,变化很小。

核糖体彻底水解的原理,核糖体为什么可以生成水(3)

RF2的封闭与开放构象。Protein Sci. 2017 Jul; 26(7): 1352–1362.

原核生物的II类因子是RF3,真核是eRF3。II类因子起着类似于EF-Tu的作用,先形成三元复合物eRF1:eRF3:GTP,然后与核糖体结合,触发GTP水解,最终导致eRF1的结构域3进入PTC,催化肽链的水解和释放。

有一点与EF-Tu不同,RF3在终止中的GTPase活性不参与校对机制。终止的准确性完全依靠I类RF识别终止密码子的能力(Protein Sci. 2017)。

肽链释放后,80S核糖体仍与mRNA、脱酰基的tRNA以及I类释放因子eRF1结合。此时必须解离核糖体亚基,释放出mRNA和脱酰的tRNA,以便进行下一轮翻译。

原核与真核生物核糖体的再循环(recycling)完全不同。原核需要特殊的核糖体循环因子(ribosome recycling factor,RRF),该因子与EF-G共同作用,可在终止因子释放后促进亚基解离。

核糖体彻底水解的原理,核糖体为什么可以生成水(4)

原核与真核生物再循环机制的比较。Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2017 Mar 19; 372(1716): 20160183

在真核生物中,则需要eRF1与ABC-ATP酶家族的Rli1 / ABCE1共同作用,促进核糖体亚基的解离。ABCE1是一种非常保守的蛋白,利用NTP水解的能量推动构象转变,以促进核糖体亚基解聚。

此时mRNA和脱酰基的tRNA仍然与小亚基结合,需要通过起始因子eIF1,eIF1A和eIF3或eIF2D等促进其解离,以进入下一轮翻译循环。ABCE1也是一种抗结合因子,可以阻止核糖体的大小亚基重新结合。它可能与eIF3相互作用,参与翻译起始过程。

核糖体再循环是正常翻译过程中一个不可缺少的环节,但在某些情况下,会发生不完整的再循环,比如翻译重启(reinitiation,REI)。REI在含有短上游ORF(uORF)的基因翻译时比较常见,例如酵母GCN4基因的翻译。

参考文献:

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