что такое стоп кодон
Стоп-кодон
Стоп-кодоны выполняют важную функцию завершения (терминацию) сборки полипептидной цепи и также называются терминаторными кодонами. Некоторые из них вызывают обязательное прекращение синтеза, другие являются условными.
Кроме того, стоп-кодон, как кодон, при котором не происходит включения аминокислоты в белок, ещё называют бессмысленным кодоном или нонсенс-кодоном.
Так, кодон UAG (Янтарь) — условный терминаторный кодон и супрессируемые Amber-мутации вызывают преждевременную терминацию трансляции (условно летальные мутации).
Сквозная трансляция может проходить через кодоны UAG (Янтарь) и UGA (Опал), но не через кодон UAA (Охра).
Кодоны UAA и UAG в митохондриальной ДНК вызывают безусловное прекращение трансляции.
Некоторые мРНК в действительности содержат два тандемных терминаторных кодона — часто это кодоны различного типа на конце кодирующей последовательности.
Связанные понятия
ДНК-метилтрансфера́зы (ДНК-метилазы, англ. DNA methyltransferase, DNA MTase, DNMT) — группа ферментов, катализирующих метилирование нуклеотидных остатков в составе ДНК. Активность метилтрансфераз, заключающаяся в переносе метильных (CH3—) групп на азотистое основание цитозин в составе ДНК, ведет к изменению свойств ДНК, при этом изменяется активность, функции соответствующих генов, а также пространственная структура нуклеиновой кислоты (конформация).
Нуклеазы — большая группа ферментов, гидролизующих фосфодиэфирную связь между субъединицами нуклеиновых кислот. Различают несколько типов нуклеаз в зависимости от их специфичности: экзонуклеазы и эндонуклеазы, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, рестриктазы и некоторые другие. Рестриктазы занимают важное положение в прикладной молекулярной биологии.
Неоднозначность стоп-кодонов
Языки людей неоднозначны, многие слова в них имеют не одно, а несколько значений. Обычно мы улавливаем смысл исходя из контекста сказанного. У клеток свой язык, который они используют при синтезе белка. Это генетический код, состоящий из 64 нуклеотидных триплетов (кодонов), 61 из которых, смысловые, кодируют определенные аминокислоты, а три стоп-кодона вызывают завершение синтеза белковой молекулы (трансляции). Но кодоны, оказывается, могут иметь разный смысл, и, чтобы его понять, приходится, опять-таки, ориентироваться на контекст.
Про инвариантность генетического кода написано в учебниках, однако специалисты знают, что это не так. Впервые его неоднозначность обнаружили еще в 1985 году у инфузорий, а затем у зеленых водорослей и дипломонад, а также в митохондриальных геномах. В этих случаях стоп-кодоны не только терминируют синтез белка, но и кодируют в нем какую-нибудь аминокислоту. И как, спрашивается, рибосомы различают, в каких случаях этот кодон следует прочесть, а в каких — на нем остановиться? Ответ на этот вопрос искали специалисты Бернского и Пизанского университетов под руководством бернского профессора Мариуша Новацки (Mariusz Nowacki).
Исследователи проанализировали обширную базу данных транскриптомов (совокупностей всех молекул РНК) морских одноклеточных эукариот (Marine Microbial Eukaryote Transcriptome Sequencing Project, MMETSP), чтобы обнаружить и классифицировать переназначенные кодоны. Три переназначенных стоп-кодона они нашли в геномах нескольких видов инфузорий: UAA и UAG кодируют глютамин, цистеин или тирозин, а UGA — триптофан. Каждому смысловому кодону соответствует тРНК, подносящая определенную аминокислоту, а со стоп-кодонами взаимодействуют особые белки — факторы терминации трансляции. Таким образом, за каждый из переназначенных кодонов конкурируют по крайней мере одна тРНК и фактор терминации трансляции eRF1.
У большинства исследованных видов инфузорий с переназначенными стоп-кодонами оставался хотя бы один инвариантный, но у Condylostoma magnum и Parduzcia sp. переназначенными оказались все три: UAA и UAG кодируют глютамин, UGA — триптофан. Именно с этими двумя видами исследователи и продолжили работу. Изучение начали с последовательности гистона Н4 — одной из самых консервативных. Она обычно заканчивается стоп-кодонами UAG или UGA. Эксперименты показали, что рибосома проскакивает эту позицию крайне редко, с частотой менее 1,8%, обычно в этом месте происходит терминация. Однако в тех случаях, когда стоп-кодоны находятся в середине кодирующей последовательности, рибосома воспринимает их как смысловые. Ученые нашли тРНК, которая распознает UAA и UAG. Досрочной терминации трансляции при этом не происходит.
Как можно различать смысл неоднозначных кодонов? Исследователи предложили две гипотезы: либо рядом с кодонами находятся специфические последовательности, позволяющие тРНК или eRF1 сделать правильный выбор, или же значение кодона определяется его положением в молекуле РНК. Если стоп-кодон находится в конце молекулы, регуляторные белки воспринимают его как сигнал остановки. Подходящих последовательностей-маркеров, позволяющих определить значение кодона, ученые не обнаружили, поэтому сосредоточились на второй гипотезе.
Молекулы мРНК, с которых в рибосоме считываются белковые молекулы, имеют характерное строение. Их кодирующая последовательность оканчивается стоп-кодоном, за ним следует короткая 3’-некодирующая область и несколько адениловых остатков — поли(А)-хвост (см. рисунок). 3’-некодирующая область может быть настолько короткой, что поли(А)-хвост порой находится практически вплотную к стоп-кодону, поэтому ученые полагают, что именно положение стоп-кодона относительно поли(А)-хвоста позволяет определить его значение. Если хвост совсем рядом, надо ставить «точку»; стоп-кодоны, расположенные чуть дальше от поли(А), в 24-66 нуклеотидах от последнего кодона, читаются как смысловые.
Значение стоп-кодона зависит от его положения в молекуле мРНК относительно поли(А)-хвоста (Swart et al., 2016)
Если какой-либо смысловой кодон в определенном положении часто читают как «стоп», отбор его оттуда уберет, потому что ошибка обойдется слишком дорого. Если гипотеза о том, что значение стоп-кодона зависит от его положения относительно 3’-конца молекулы, верна, подобные ошибки должны чаще всего происходить в тех случаях, когда смысловые стоп-кодоны расположены не в самом конце молекулы, но поблизости от него, и приводить к досрочной терминации. В таком случае в ходе эволюции они должны были исчезнуть. И действительно, в конце кодирующей области мРНК, перед настоящим стоп-кодоном, его смысловых собратьев нет. Ни для каких других кодонов таких позиционных эффектов не отмечено.
Итак, Мариуш Новацки и его коллеги предложили модель, согласно которой стоп-кодоны в молекулах мРНК инфузорий C. magnum и Parduczia sp. по умолчанию читаются как смысловые, а не служат стоп-сигналом. Терминация трансляции происходит, когда стоп-кодон расположен в самом конце молекулы. Исследователи пришли к выводу, что на срабатывание кодона как стоп-сигнала влияет близость поли(А)-хвоста и белков, с ним взаимодействующих. Особую роль они отводят белку РАВР.
Поскольку стоп-кодоны распределены по всей длине гена и благополучно транслируются, речь идет не о мутациях, а об изменении генетического кода. Бросается в глаза, что такие изменения произошли только у инфузорий, у других 265 эукариотических видов из MMETSP их нет.
По мнению исследователей, неоднозначность генетического кода инфузорий отражает первоначальную неоднозначность кода, когда каждый кодон имел несколько значений. Возникновение в ходе эволюции очень короткой 3’-нетранслируемой области и поли(А)-хвоста позволило переобозначить стоп-кодоны, использовать их в качестве сигнала терминации. Такое контекстное прочтение делает генетический код устойчивее к мутациям, превращающим значащие кодоны в стоп-кодоны. Если такая мутация произойдет в геноме с инвариантным кодом, она приведет к образованию короткого мутантного белка и преждевременной терминации трансляции. Но когда подобное случится в неоднозначном геноме инфузории, стоп-кодон будет прочитан, поскольку находится на месте смыслового, а для терминации трансляции нужен не только определенный триплет, но и его особое положение.
По мнению профессора Новацки и его соавторов, предки инфузорий долгое время прекрасно существовали с неоднозначными генетическими кодами. Нынешний инвариантный генетический код вовсе не последнее слово эволюции: генетические коды иногда изменяются.
Наталья Резник
Swart Е. С. Serra V., Petroni G., Nowacki M. Genetic Codes with No Dedicated Stop Codon Context-Dependent Translation Termination // Cell. 2016. 166. Р. 691-702. doi: 0.1016/j.cell.2016.06.020
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
В молекулярная биология (конкретно биосинтез белка), а стоп-кодон (или же завершающий кодон) это кодон (нуклеотид тройка внутри информационная РНК), что сигнализирует о прекращении перевод процесс текущего белок. [1] Большинство кодонов в матричной РНК соответствуют добавлению аминокислота к растущему полипептид цепь, которая в конечном итоге может стать белком; стоп-кодоны сигнализируют о завершении этого процесса путем связывания факторы выпуска, что вызывает рибосомальный субъединицы диссоциировать, высвобождая аминокислотную цепь.
Пока стартовые кодоны нужны соседние последовательности или факторы инициирования чтобы начать трансляцию, достаточно одного стоп-кодона, чтобы инициировать терминацию.
Содержание
Характеристики
Стандартные кодоны
В стандартном генетическом коде есть три разных кодона терминации:
| Кодон | Стандартный код (Таблица перевода 1) | Имя | |
|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||
| ТЕГ | UAG | СТОП = Тер (*) | «Янтарь» |
| TAA | UAA | СТОП = Тер (*) | «охра» |
| TGA | UGA | СТОП = Тер (*) | «опал» (или «умбра») |
Альтернативные стоп-кодоны
Таблица альтернативных стоп-кодонов и сравнение со стандартным генетическим кодом| Генетический код | Перевод стол | Кодон | Перевод с этим кодом | Стандартный перевод | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||||||
| Митохондриальные позвоночные | 2 | AGA | AGA | СТОП = Тер (*) | Arg (Р) | ||
| AGG | AGG | СТОП = Тер (*) | Arg (Р) | ||||
| Scenedesmus obliquus митохондриальный | 22 | TCA | УЦА | СТОП = Тер (*) | Сер (S) | ||
| Траустохитрий митохондриальный | 23 | TTA | UUA | СТОП = Тер (*) | Лея (L) | ||
| Аминокислота биохимические свойства | Неполярный | Полярный | Базовый | Кислая | Прекращение: стоп-кодон |
Переназначенные стоп-кодоны
Ядерный генетический код гибок, о чем свидетельствуют варианты генетических кодов, которые переназначают стандартные стоп-кодоны аминокислотам. [5]
Таблица условных стоп-кодонов и сравнение со стандартным генетическим кодом| Генетический код | Перевод стол | Кодон | Условный перевод | Стандартный перевод | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||||||
| Кариореликт ядерный | 27 | TGA | UGA | Тер (*) | или же | Trp (Вт) | Тер (*) |
| Кондилостома ядерный | 28 | TAA | UAA | Тер (*) | или же | Gln (Q) | Тер (*) |
| ТЕГ | UAG | Тер (*) | или же | Gln (Q) | Тер (*) | ||
| TGA | UGA | Тер (*) | или же | Trp (Вт) | Тер (*) | ||
| Бластокритидии ядерный | 31 | TAA | UAA | Тер (*) | или же | Glu (E) | Тер (*) |
| ТЕГ | UAG | Тер (*) | или же | Glu (E) | Тер (*) | ||
Перевод
В 2007 году кодон UGA был идентифицирован как кодон, кодирующий селеноцистеин (Сек) и найдено в 25 селенопротеины расположен в активном центре белка. Трансляция этого кодона обеспечивается близостью Элемент SECIS (Последовательность включения селеноцистеина). [6]
Кодон UAG может переводиться в пирролизин (Пыл) аналогичным образом.
Геномное распределение
Распределение стоп-кодонов в геноме организма неслучайно и может коррелировать с GC-контент. [7] [8] Например, Кишечная палочка Геном K-12 содержит 2705 TAA (63%), 1257 TGA (29%) и 326 TAG (8%) стоп-кодонов (содержание GC 50,8%). [9] Также субстраты для фактора высвобождения 1 стоп-кодонов или фактора высвобождения 2 сильно коррелируют с количеством стоп-кодонов. [10] Крупномасштабное исследование бактерий с широким диапазоном содержания GC показывает, что, хотя частота появления TAA отрицательно коррелирует с содержанием GC, а частота появления TGA положительно коррелирует с содержанием GC, частота встречаемости стоп-кодона TAG, который часто является минимально используемым стоп-кодоном в геноме, не зависит от содержания GC. [11]
Признание
Распознавание стоп-кодонов у бактерий связано с так называемым «трипептидным антикодоном», [12] высококонсервативный аминокислотный мотив в RF1 (PxT) и RF2 (SPF). Несмотря на то, что это подтверждается структурными исследованиями, было показано, что гипотеза трипептидного антикодона является чрезмерным упрощением. [13]
Номенклатура
Стоп-кодонам исторически давали много разных имен, поскольку каждый из них соответствовал определенному классу мутантов, которые все вели себя одинаково. Эти мутанты были впервые выделены в бактериофаги (Т4 и лямбда), вирусы которые заражают бактерии кишечная палочка. Мутации в вирусных генах ослабляли их инфекционную способность, иногда создавая вирусы, которые могли инфицировать и расти только в определенных разновидностях вирусов. Кишечная палочка.
Янтарь мутации (UAG)
Они были первым набором бессмысленные мутации должны быть обнаружены, изолированы Ричардом Х. Эпштейном и Чарльзом Стейнбергом и названы в честь их друга и аспиранта Калифорнийского технологического института Харриса Бернстайна, чья фамилия означает «Янтарь» на немецком (ср. Бернштейн). [14] [15]
Вирусы с янтарными мутациями характеризуются своей способностью инфицировать только определенные штаммы бактерий, известные как янтарные супрессоры. Эти бактерии несут собственную мутацию, которая позволяет восстановить функции мутантных вирусов. Например, мутация тРНК, которая распознает стоп-кодон янтарного цвета, позволяет трансляции «читать» кодон и производить полноразмерный белок, тем самым восстанавливая нормальную форму белка и «подавляя» мутацию янтарного цвета. [16] Таким образом, мутанты янтаря представляют собой целый класс мутантов вируса, которые могут расти в бактериях, содержащих мутации-супрессоры янтаря. Подобные супрессоры известны также для стоп-кодонов охры и опала.
охра мутации (UAA)
Это была вторая обнаруженная мутация стоп-кодона. Этот второй стоп-кодон, напоминающий обычный желто-оранжево-коричневый цвет, связанный с янтарем, получил название «охра», оранжево-красновато-коричневый минеральный пигмент. [15]
Мутантные вирусы охры обладали свойством, сходным с мутантами янтаря, в том, что они восстанавливали инфекционную способность определенных штаммов бактерий-супрессоров. Набор супрессоров охры отличался от супрессоров янтаря, поэтому предполагалось, что мутанты охры соответствуют другому триплету нуклеотидов. Посредством серии экспериментов по мутациям, сравнивающих эти мутанты друг с другом и другими известными кодонами аминокислот, Сидней Бреннер пришли к выводу, что мутации янтаря и охры соответствуют триплетам нуклеотидов «UAG» и «UAA». [17]
опал или же умбра мутации (UGA)
Третий и последний стоп-кодон в стандартном генетическом коде был обнаружен вскоре после этого и соответствует триплету нуклеотидов «UGA». [18]
Чтобы продолжить согласование с темой цветных минералов, третий бессмысленный кодон стал известен как «опал», который представляет собой кремнезем разного цвета. [15] Бессмысленные мутации, которые создали этот преждевременный стоп-кодон, позже были названы мутациями опала или умбра мутации.
Мутации
Ерунда
Бессмысленные мутации представляют собой изменения в последовательности ДНК, которые вводят преждевременный стоп-кодон, вызывая ненормальное укорачивание любого образующегося белка. Это часто вызывает потерю функции белка, поскольку критические части аминокислотной цепи больше не создаются. Из-за этой терминологии стоп-кодоны также называются бессмысленные кодоны.
Без остановки
А безостановочная мутация это точечная мутация что происходит в стоп-кодоне. Непрерывные мутации вызывают непрерывную трансляцию мРНК прядь в то, что должно быть непереведенным регионом. Наиболее полипептиды возникшие в результате гена с непрерывной мутацией, нефункциональны из-за своей чрезвычайной длины.
Непрерывные мутации отличаются от бессмысленные мутации в том, что они не создают стоп-кодон, а вместо этого удаляют его. Непрерывные мутации также отличаются от миссенс-мутации, которые представляют собой точечные мутации, когда один нуклеотид заменяется другим аминокислота.
Скрытые остановки
Стоп-кодоны и скрытые стоп-сигналы вместе называются стоп-сигналами. Исследователи из Мемфисский университет обнаружили, что отношения стоп-сигналов на трех рамках считывания генома (называемые отношением стоп-сигналов трансляции или TSSR) генетически родственных бактерий, несмотря на их большие различия в содержании генов, очень похожи. Это почти идентичное значение Genomic-TSSR генетически связанных бактерий может предполагать, что расширение бактериального генома ограничено их уникальной ошибкой стоп-сигналов этого вида бактерий. [25]
Переводное чтение
Остановить подавление кодонов или же переводное чтение возникает, когда при трансляции стоп-кодон интерпретируется как смысловой кодон, то есть когда (стандартная) аминокислота «кодируется» стоп-кодоном. Мутировавший тРНК может быть причиной чтения, но также и определенные нуклеотид мотивы, близкие к стоп-кодону. Трансляционное считывание очень часто встречается у вирусов и бактерий, а также было обнаружено в качестве принципа регуляции генов у людей, дрожжей, бактерий и дрозофил. [26] [27] Этот вид эндогенного трансляционного чтения представляет собой разновидность генетический код, потому что стоп-кодон кодирует аминокислоту. В случае человека малатдегидрогеназастоп-кодон считывается с частотой около 4%. [28] Аминокислота, вставленная в стоп-кодон, зависит от идентичности самого стоп-кодона: Gln, Tyr и Lys были обнаружены для кодонов UAA и UAG, в то время как Cys, Trp и Arg для кодона UGA были идентифицированы по массе. спектрометрия. [29]
Использовать как водяной знак
В 2010 году, когда Крейг Вентер представила первую полностью функционирующую воспроизводящую клетку, управляемую синтетическая ДНК он описал, как его команда использовала частые стоп-кодоны для создания водяные знаки в РНК и ДНК, чтобы помочь подтвердить, что результаты действительно были синтетическими (и не были загрязнены или иным образом), используя их для кодирования имен авторов и адресов веб-сайтов. [30]
В то время как для старт-кодонов требуются близлежащие последовательности или факторы инициации, чтобы начать трансляцию, одного стоп-кодона достаточно для инициации терминации.
СОДЕРЖАНИЕ
Характеристики
Стандартные кодоны
В стандартном генетическом коде есть три разных кодона терминации:
| Кодон | Стандартный код (таблица перевода 1) | Имя | |
|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||
| ЯРЛЫК | UAG | СТОП = Тер (*) | «Янтарь» |
| TAA | UAA | СТОП = Тер (*) | «охра» |
| TGA | UGA | СТОП = Тер (*) | «опал» (или «умбра») |
Альтернативные стоп-кодоны
Таблица альтернативных стоп-кодонов и сравнение со стандартным генетическим кодом| Генетический код | Таблица перевода | Кодон | Перевод с этим кодом | Стандартный перевод | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||||||
| Митохондрии позвоночных | 2 | AGA | AGA | СТОП = Тер (*) | Арг (R) | ||
| AGG | AGG | СТОП = Тер (*) | Арг (R) | ||||
| Scenedesmus obliquus митохондриальный | 22 | TCA | УЦА | СТОП = Тер (*) | Сер (S) | ||
| Thraustochytrium митохондриальный | 23 | TTA | UUA | СТОП = Тер (*) | Лей (L) | ||
| Аминокислотные биохимические свойства | Неполярный | Полярный | Базовый | Кислая | Прекращение: стоп-кодон |
Переназначенные стоп-кодоны
Ядерный генетический код гибок, о чем свидетельствуют варианты генетических кодов, которые переназначают стандартные стоп-кодоны на аминокислоты.
Таблица условных стоп-кодонов и сравнение со стандартным генетическим кодом| Генетический код | Таблица перевода | Кодон | Условный перевод | Стандартный перевод | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ДНК | РНК | ||||||
| Кариореликт ядерный | 27 | TGA | UGA | Тер (*) | или | Trp (Вт) | Тер (*) |
| Кондилостома ядерная | 28 год | TAA | UAA | Тер (*) | или | Gln (Q) | Тер (*) |
| ЯРЛЫК | UAG | Тер (*) | или | Gln (Q) | Тер (*) | ||
| TGA | UGA | Тер (*) | или | Trp (Вт) | Тер (*) | ||
| Бластокритидия ядерная | 31 год | TAA | UAA | Тер (*) | или | Глю (E) | Тер (*) |
| ЯРЛЫК | UAG | Тер (*) | или | Глю (E) | Тер (*) | ||
Перевод
В 2003 году в исторической статье описывалась идентификация всех известных селенопротеинов у человека: всего 25. Аналогичные анализы были проведены для других организмов.
Кодон UAG может переводиться в пирролизин (Pyl) аналогичным образом.
Геномное распределение
Признание
Распознавание стоп-кодонов у бактерий связано с так называемым «трипептидным антикодоном», высококонсервативным аминокислотным мотивом в RF1 (PxT) и RF2 (SPF). Несмотря на то, что это подтверждается структурными исследованиями, было показано, что гипотеза трипептидного антикодона является чрезмерным упрощением.
Номенклатура
янтарные мутации ( UAG )
Они были первым набором бессмысленных мутаций, которые были обнаружены, выделены Ричардом Х. Эпштейном и Чарльзом Стейнбергом и названы в честь их друга и аспиранта Калифорнийского технологического института Харриса Бернстайна, чья фамилия в переводе с немецкого означает « янтарь » ( ср. Бернштейн ).
Вирусы с янтарными мутациями характеризуются своей способностью инфицировать только определенные штаммы бактерий, известные как янтарные супрессоры. Эти бактерии несут собственную мутацию, которая позволяет восстановить функции мутантных вирусов. Например, мутация в тРНК, которая распознает стоп-кодон янтарного цвета, позволяет трансляции «читать» кодон и продуцировать полноразмерный белок, тем самым восстанавливая нормальную форму белка и «подавляя» мутацию янтарного цвета. Таким образом, мутанты янтаря представляют собой целый класс мутантов вируса, которые могут расти в бактериях, содержащих мутации-супрессоры янтаря. Подобные супрессоры известны также для стоп-кодонов охры и опала.
Молекулы тРНК, несущие неприродные аминокислоты, были разработаны для распознавания янтарного стоп-кодона в бактериальной РНК. Эта технология позволяет включать ортогональные аминокислоты (такие как п-азидофенилаланин) в определенные места целевого белка.
охровые мутации ( UAA )
Мутантные вирусы охры обладали свойством, аналогичным мутантам янтаря, в том, что они восстанавливали инфекционную способность определенных штаммов бактерий-супрессоров. Набор супрессоров охры отличался от супрессоров янтаря, поэтому предполагалось, что мутанты охры соответствуют другому триплету нуклеотидов. Посредством серии экспериментов по мутациям, сравнивающих эти мутанты друг с другом и с другими известными кодонами аминокислот, Сидней Бреннер пришел к выводу, что мутации янтаря и охры соответствуют триплетам нуклеотидов «UAG» и «UAA».
мутации опала или умбры ( UGA )
Третий и последний стоп-кодон в стандартном генетическом коде был обнаружен вскоре после этого и соответствует триплету нуклеотидов «UGA».
Мутации
Ерунда
Без остановки
Скрытые остановки
Переводное чтение
Использовать как водяной знак
В 2010 году, когда Крейг Вентер представил первую полностью функционирующую воспроизводящуюся клетку, управляемую синтетической ДНК, он описал, как его команда использовала частые стоп-кодоны для создания водяных знаков в РНК и ДНК, чтобы подтвердить, что результаты действительно были синтетическими (и не были загрязнены или иным образом), используя он предназначен для кодирования имен авторов и адресов веб-сайтов.