Protein stopper bevidst egen syntese ved at destabilisere syntesemaskineriet - ribosomet

En fælles forskningsgruppe af Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og Kyoto Sangyo University har opdaget, at et protein, under dets syntese, kan destabilisere strukturen af ​​ribosomet og afslutte sin egen syntese for tidligt, og fandt ud af, at dette fænomen bruges til at tilpasse cellen til dens miljø.

Baggrund

Proteiner er funktionelle molekyler, som understøtter liv og er tredimensionelle strukturer af polypeptidkæder, kæder af forbundne aminosyrer. Konfigurationen af ​​aminosyrer på denne kæde (sekvensen) er skrevet i DNA-sekvensen. Polypeptidkæder dannes, hvor ribosomet, proteinsyntesemaskineriet, ligger på en kopi af DNA-sekvensen (budbringer-RNA). Den begynder at polymerisere aminosyrer én efter én ved at vælge blandt 20 typer aminosyrer, der skal tilføjes til linket i henhold til den genetiske kode. Det afsluttes ved endepunktet, hvor kæden løsnes fra ribosomet.

Processen med at et protein syntetiseres ved et ribosom kaldes "oversættelse, "og alle proteiner fra alle levende organismer, inklusive mennesker, produceres gennem oversættelse. Man havde troet, at i processen med at forbinde aminosyrer ved ribosomet, den nydannede polypeptidkæde (spirende kæde) blev syntetiseret kontinuerligt.

I nyere undersøgelser foretaget af denne forskergruppe og andre, det er blevet tydeligt, at hastighedsudsving forekommer betydeligt i oversættelsen - at nogle begyndende kæder, afhængig af aminosyresekvensen, virke på ribosomet, der danner det, for at sænke translationstrintiden.

Oversigt over forskningsresultatet

Forskergruppen ledet af Hideki Taguchi ved Tokyo Tech og Koreaki Ito ved Kyoto Sangyo University fandt, at når et rekonstitueret cellefrit translationssystem af E. coli blev lavet til at oversætte proteiner med sekvenser på omkring ti sure aminosyrer (asparaginsyre og glutaminsyre) eller sekvenser, hvor enten sur aminosyre og en aminosyre kaldet prolin er koblet skiftevis, translation stopper midtvejs, når en sådan sekvens er blevet oversat. Denne mislykkede hændelse opstår, når ribosomerne, der syntetiserer aminosyresekvensen, bliver destabiliserede som et resultat af at blive påvirket af den begyndende kæde (forskerne betegner denne "IRD":"intrinsic ribosom destabilization"). Det resulterer i, at ribosomet opdeles i de store og små underenheder (figur 1). Ribosomet, med sin rolle at syntetisere flere tusinde eller titusindvis af typer proteiner i cellen, var blevet anset for at have kommandoen til at forbinde enhver kombination af aminosyresekvenser. Imidlertid, opdagelsen af ​​IRD, hvor ribosomet destabiliseres under translation af spirende kæder, det selv syntetiserer, indikerer, at oversættelse er noget, der skrider frem med den potentielle risiko for at blive afbrudt. Proteiner, som inkluderer aminosyresekvenser, der udløser IRD, er ikke i stand til at fuldføre deres syntese.

Ved første øjekast, dette fænomen med IRD kan virke som en defekt i ribosomet, men hvad betyder det for levende organismer?

Forskerne havde opdaget, at levende organismer også besidder en mekanisme til at modvirke IRD. Dette fund fik dem til at bruge en mutant af E. coli, der mangler denne mekanisme, med ribosomer således let destabiliserede og tilbøjelige til IRD, og analysere alt proteinet inde i en celle (proteomet). Som resultat, holdet fandt ud af, at i mutanten, de cellulære mængder af en række proteiner varierede sammenlignet med den vilde stamme. I særdeleshed, MgtA, et membranprotein, der transporterer magnesiumioner ind i celler, viste sig at være udtrykt over ti gange mere. Interessant nok, genet kaldet mgtL og regulerer ekspressionen af ​​MgtA besad en IRD-sekvens. Resultatet af analysen viste, at E. coli regulerer ekspressionen af ​​MgtA, ved hjælp af en speciel mekanisme med IRD-fænomenet på grund af sekvensen af ​​mgtL, som reaktion på ændringer i magnesiumkoncentrationerne i cellen.

Magnesiumioner er nødvendige for mange livsprocesser inde i cellen, og er påkrævet til oversættelse, i særdeleshed, for at stabilisere ribosomet. Dermed, resultaterne af denne forskning tyder på, at E. coli har erhvervet en mekanisme til at opretholde den cellulære magnesiumionkoncentration ved at bruge mgtL's IRD-evne til at udtrykke en overflod af MgtA, når dets vækstmiljø bliver fattigt på magnesium. Med andre ord, en levende organisme har en mekanisme til at overvåge ændringer i det intracellulære miljø ved at drage fordel af fænomenet IRD (figur 2).

Fremtidige udviklinger

Denne undersøgelse viste, at ud over at indeholde information, der bestemmer tredimensionelle strukturer af proteiner, aminosyresekvenser har endda evnen til at påvirke stabiliteten af ​​det maskineri, der syntetiserer det, og til at afbryde translation midt i cyklussen, til sidst. Dette fremmer vores forståelse af grundlaget for livsprocesser, som understøttes af reguleret ekspression af genetisk information. Tidlig, for tidligt ophør af oversættelse var hidtil ikke blevet anset for at være en vital proces i biovidenskaberne. Taguchi og teammedlemmerne mener, at deres præstation kan udvides, i forbindelse med den nuværende velstand inden for biovidenskab, til forskellige anvendelser såsom produktion af nye nyttige proteiner eller udvikling af biofarmaceutiske midler.