Трансля́ция (от лат. translatio — «перенос, перемещение») — осуществляемый рибосомой процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), происходящий на клеточном уровне; реализация генетической информации .

Механизм

Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки . Для осуществления этого процесса в клетках имеются специальные немембранные органеллы — рибосомы . Это рибонуклеопротеидные комплексы , построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Их функция - узнавание трёхбуквенных ( трехнуклеотидных ) кодонов мРНК, сопоставление соответствующих им антикодонов тРНК, несущих аминокислоты, и присоединение этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.

Для узнавания аминокислот в клетке есть специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энерго-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами , а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК . Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон CCA, а к этой тРНК будет присоединяться только аминокислота глицин ).

Механизмы трансляции прокариот и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие трансляцию прокариот, меньше действуют на трансляцию эукариот, что позволяет использовать их в медицине как антибактериальные средства, безопасные для организма млекопитающих.

Процесс трансляции разделяют на

• инициацию — узнавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза.
• элонгацию — собственно синтез белка.
• терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.

Рамка считывания

Так как каждый кодон содержит три нуклеотида , один генетический текст можно прочитать тремя способами (начиная с первого, второго и третьего нуклеотидов), то есть в трех разных рамках считывания. Обычно значимой является информация, закодированная только в одной рамке считывания. Поэтому правильная инициация трансляции (позиционирование на стартовом AUG-кодоне) крайне важна для синтеза белка рибосомой.

Инициация

Синтез белка в большинстве случаев начинается с AUG- кодона , кодирующего метионин . Этот кодон обычно называют стартовым или инициаторным. Инициация трансляции предусматривает узнавание рибосомой этого кодона и привлечение инициаторной аминоацил-тРНК. Для инициации трансляции необходимо также наличие определённых нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона ( последовательность Шайна — Дальгарно у прокариот и последовательность Козак у эукариот). Немаловажная роль в защите 5'-конца мРНК принадлежит 5'- кэпу . Существование последовательности, отличающей стартовый AUG от внутренних совершенно необходимо, так как в противном случае инициация синтеза белка происходила бы хаотично на всех AUG-кодонах.

Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации ( англ. initiation factors, IF ; инициаторные факторы эукариот обозначают eIF, от англ. eukaryotes ).

Механизмы инициации трансляции у про- и эукариот существенно отличаются: прокариотические рибосомы потенциально способны находить стартовый AUG и инициировать синтез на любых участках мРНК, в то время как эукариотические рибосомы обычно присоединяются к мРНК в области кэпа и сканируют её в поисках стартового кодона.

У прокариот

Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в данный момент в трансляцию, существует в комплексе с инициаторными факторами IF1, IF3, и, в некоторых случаях, IF2. Рассмотрим основные функции этих белков:

• IF3, связанный с 30S-субъединицей, предотвращает ассоциацию с большой (50S) субъединицей рибосомы, тем самым сохраняя её свободное состояние до связывания с матричной РНК. Этот белок также принимает участие в связывании мРНК и тРНК, а также IF2.
• IF2 взаимодействует с тРНК, а также обладает способностью расщеплять ГТФ .
• IF1 является, по-видимому, не обязательным фактором (у некоторых видов он отсутствует), повышающим сродство малой субчастицы к IF2 и IF3.

Комплекс 30S субчастицы с инициаторными факторами способен узнавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы ( англ. RBS, ribosome-binding site ). Эти участки содержат, во-первых, инициаторный AUG, и, во-вторых, специальную последовательность Шайна — Дальгарно , с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайна — Дальгарно служит для того, чтобы отличать инициаторный AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК, к ней привлекается инициаторная аминоацил-тРНК и IF2, если они ещё не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субчастица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация инициаторных факторов. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь.

У эукариот

У эукариот существуют два основных механизма нахождения рибосомой стартового AUG: кэпзависимый (сканирующий) и кэпнезависимый (внутренняя инициация).

• При сканирующем механизме рибосома (точнее, её малая субъединица) садится на 5'-конец мРНК в области кэпа и двигается вдоль молекулы мРНК, «сканируя» один кодон за другим, пока не наткнётся на инициаторный AUG. Для привлечения рибосомы к 5'-концу мРНК требуется специальная структура, кэп — 7-метилгуанин, прикреплённый к 5'-концевому нуклеотиду мРНК.
• При механизме внутренней инициации , называемом у эукариот также IRES-зависимым механизмом , рибосома садится на внутренний участок мРНК, называемый IRES ( англ. Internal Ribosomal Entry Site , участок внутренней посадки рибосомы) — участок мРНК, обладающий выраженной вторичной структурой, позволяющей ему направлять рибосомы на стартовый AUG. По IRES-зависимому механизму инициируется синтез лишь на небольшой части клеточных мРНК, а также на РНК некоторых вирусов .

В дополнение к основным механизмам инициации, при наличии перед стартовым кодоном поли(А)-лидера (например, в мРНК вирусов семейства оспы) реализуется нестандартный механизм инициации. В этом случае инициаторный комплекс не содержит факторов IF3 и eIF4F, и после сборки на 5'-нетранслируемой области осуществляет не последовательное сканирование мРНК, а т.н. АТФ-независимое "бесфазное блуждание". При этом инициация протекает значительно быстрее, чем в случае работы по классическому сканирующему механизму .

Также у эукариот возможна реинициация трансляции , когда после окончания трансляции рибосома с белковыми факторами не диссоциирует от мРНК, а перескакивает с 3' на 5'-конец мРНК и начинает инициацию ещё раз. Это возможно благодаря т.н. циклизации мРНК в цитоплазме, то есть физическому сближению старт- и стоп-кодонов с помощью специальных белков.

Кэпзависимый механизм

В отличие от прокариот, инициация трансляции у которых обеспечивается лишь тремя белковыми факторами, трансляция подавляющего большинства мРНК эукариот, содержащих 5'- кэп [m7G(5')ppp(5')N] и 3'-поли(А)-хвост, требует участия, по крайней мере, 13 общих эукариотических факторов инициации (eIF), представленных 31 полипептидом. Инициация трансляции включает события между диссоциацией рибосомы во время терминации в предыдущем цикле трансляции и сборкой рибосомы, готовой к элонгации, на старт-кодоне мРНК. Во время инициации аппарат трансляции решает следующие задачи:

1. диссоциация и антиассоциация рибосомных субъединиц;
2. выбор инициаторной метионил-тРНК (Met-tRNAiMet);
3. связывание 5'-кэпа, связывание поли(А), сканирование;
4. выбор правильного старт-кодона ;
5. объединение рибосомных субъединиц на старт-кодоне

Диссоциация и антиассоциация субъединиц рибосом

Диссоциация рибосомных субъединиц в конце терминации — активный процесс, в котором участвуют eIF, а также факторы элонгации и терминации. Антиассоциация уже диссоциированных субъединиц обеспечивается eIF и служит для предотвращения преждевременного объединения рибосомных субъединиц. Главная роль в выполнении этой задачи принадлежит eIF3, мультисубъединичному фактору, состоящему из 13 различных субъединиц (общей молекулярной массой 800 кДа) у млекопитающих, 11 субъединиц у растений и шести субъединиц у дрожжей Saccharomyces cerevisiae . eIF3 связывается с 40S субъединицей рибосомы (40S) посредством своей j-субъединицы, которая, в свою очередь, взаимодействует с «каркасной» (scaffolding) b-субъединицей и предотвращает ассоциацию 40S с 60S рибосомной субъединицей (60S). Эти активности eIF3 зависят от его взаимодействия с eIF1 и тройственным комплексом eIF2/GTP/Met-tRNAiMet. Связывание eIF1 с 40S является кооперативным с eIF3 , так же как и связывание eIF1 с eIF1А (гомологом бактериального IF1) . Таким образом, eIF1А, вероятно, также участвует в антиассоциации, по крайней мере, непрямым образом.

Селекция инициаторной метионил-тРНК (Met-tRNAiMet)

Этот этап включает в себя следующие процессы:

1. узнавание и метионилирование tRNAiMet специфичной метионил-тРНК-синтетазой;
2. дискриминацию против Met-tRNAiMet эукариотическими факторами элонгации;
3. дискриминацию против неметионилированной или неправильно аминоацилированной tRNAiMet eIF;
4. дискриминацию против элонгаторных тРНК eIF.

В ходе процесса (а), метионил-тРНК-синтетаза взаимодействует как с акцепторным концом тРНК, так и с антикодоном.

Процесс (б) у растений и дрожжей осуществляется с помощью посттранскрипционной модификации tRNAiMet, которая делает её отличной от элонгаторной метионин-специфичной тРНК с помощью присоединения 2'- О -фосфорибозила к рибозе нуклеотида А64. У позвоночных процесс (б) осуществляется путём дискриминации между специфическими особенностями нуклеотидных последовательностей tRNAiMet и элонгаторной метиониновой тРНК.

Элонгация

В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации . Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит аминоацилированную («заряженную» аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. Рибосома катализирует перенос пептида, связанного с тРНК в Р-сайте, в А-сайт и образование пептидной связи с находящимся там аминокислотным остатком. Таким образом растущий пептид удлиняется на один аминокислотный остаток . Затем второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует так называемую транслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет (примерно 20 ангстрем ), в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта переходит в Е-сайт (от слова exit). тРНК из E-сайта диссоциирует спонтанно, после чего рибосома готова к новому циклу элонгации .

Терминация

Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-сайте рибосомы оказывается один из стоп- кодонов — UAG, UAA, UGA. Из-за отсутствия тРНК , соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-сайтом рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки RF1 или RF2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также RF3, который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы. RF1 узнаёт в А-участке UAA или UAG; RF-2 — UAA или UGA. С UAA терминация эффективнее, чем с другими стоп-кодонами.

Компартментализация у эукариот

В отличие от прокариот, у которых биосинтез белка происходит непосредственно во время транскрипции соответствующих мРНК, для эукариот характерна строгая компартментализация всех процессов, происходящих во время биосинтеза белка, в том числе и компартментализация трансляции.

Трансляция мРНК секреторных и мембранных белков (обычно они составляют 3—15 % от всех синтезируемых клеткой белков) происходит на рибосомах, связанных с гранулярной эндоплазматической сеткой . По классическим представлениям, ещё 35—45 % рибосом связаны с цитоскелетом , а оставшиеся 20—40 % рибосом находятся в несвязанном состоянии в цитозоле . Однако высказываются предположения, что свободные рибосомы являются артефактом, и в клетке они связаны с так называемой микротрабекулярной решеткой, образованной особым типом филаментов. Впрочем, по другим данным, само существование микротрабекулярной решетки ставится под сомнение, так что вопрос о существовании активных несвязанных рибосом остаётся открытым.

В настоящее время высказывается гипотеза, что трансляция у эукариот происходит не во всей цитоплазме клетки, а в отдельных областях цитоплазмы, условно называемых «трансляционными компартментами». Предположительно, в состав трансляционного компартмента входят следующие структуры:

• рибосомы с присоединенными к ним белковыми факторами, матричной и транспортными РНК;
• так называемые кодосомы — сложные белковые комплексы, в которые входят 7-9 аминоацил-тРНК синтетаза, пирофосфатаза, циклические нуклеотиды, ионы магния и липиды;
• eEF1H — тяжёлая (англ. heavy), или полная, форма фактора элонгации 1. Он содержит 4 фактора элонгации (eEF1A, eEF1Bα, eEF1Bβ, eEF1Bγ).

Компартментализация трансляции обеспечивает высокую скорость биосинтеза белка и широкие возможности регуляции этого процесса.

См. также

• Трансляция у прокариот

Примечания

Литература

Другие источники

Литература

• Acker M. G., Lorsch J. R. Mechanism of ribosomal subunit joining during eukaryotic translation initiation // Biochemical Society Transactions. — 2008. — № 36 . — P. 653—657.
• Benelli D., Londei P. Begin at the beginning: evolution of translational initiation // Research in Microbiology. — 2009. — № 160 . — P. 493—501.
• Jackson R. J., Hellen C. U. T., Pestova T. V. The mechanism of eukaryotic translation initiation and principles of its regulation // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2010. — № 10 . — P. 113—127.
• Kapp L. D., Lorsch J. R. // Annual Review of Biochemistry. — 2004. — № 73 . — P. 657—704.
• Marintchev A., Wagner G. Translation initiation: structures, mechanisms and evolution // Quarterly Review of Biophysics. — 2004. — № 37 . — P. 197—284.
• Mitchell S. F., Lorsch J. R. Should I stay or should I go? Eukaryotic translation initiation factors 1 and 1A control start codon recognition // Journal of Biological Chemistry. — 2008. — № 283 . — P. 27345-27349.
• Schmitt E., Naveau M., Mechulam Y. Eukaryotic and archaeal translation initiation factor 2: A heterotrimeric tRNA carrier // FEBS Letters. — 2010. — № 584 . — P. 405—412.
• Sonenberg N., Hinnebusch A. G. Regulation of translation initiation in eukaryotes: mechanisms and biological targets (англ.) // Cell . — Cell Press , 2009. — No. 136 . — P. 731—745.
• / Ed. by N. Sonenberg, J. W. B. Hershey and M. B. Mathews. — Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Press, 2007. — 934 p.
• Van Der Kelen K., Beyaert R., Inze D., De Veylder L. Translational control of eukaryotic gene expression // Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. — 2009. — № 44 . — P. 143-168.