Стоп-кодон - Stop codon

Стоп-кодон (красная точка) митохондриальной ДНК человека MT-ATP8 ген и стартовый кодон (синий кружок) MT-ATP6 ген. Для каждого триплета нуклеотидов (квадратные скобки) дается соответствующая аминокислота (однобуквенный код), либо в +1 рамка чтения за MT-ATP8 (красным) или в рамке +3 для MT-ATP6 (в синем). В этой области генома два гена перекрывать.

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.

Характеристики

Стандартные кодоны

В стандартном генетическом коде есть три разных кодона терминации:

КодонСтандартный код
(Таблица перевода 1)		Имя
ДНКРНК
ТЕГUAGСТОП = Тер (*)"Янтарь"
TAAUAAСТОП = Тер (*)"охра"
TGAUGAСТОП = Тер (*)«опал» (или «умбра»)

Альтернативные стоп-кодоны

Есть вариации стандартного генетического кода, а альтернативные стоп-кодоны были обнаружены в митохондриальные геномы из позвоночные,[2] Scenedesmus obliquus,[3] и Траустохитрий.[4]

Таблица альтернативных стоп-кодонов и сравнение со стандартным генетическим кодом
Генетический кодПеревод
стол		КодонПеревод
с этим кодом		Стандартный перевод
ДНКРНК
Митохондриальные позвоночные2AGAAGAСТОП = Тер (*)Arg (Р)
AGGAGGСТОП = Тер (*)Arg (Р)
Scenedesmus obliquus митохондриальный22TCAУЦАСТОП = Тер (*)Сер (S)
Траустохитрий митохондриальный23TTAUUAСТОП = Тер (*)Лея (L)
Аминокислота биохимические свойстваНеполярныйПолярныйБазовыйКислаяПрекращение: 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 кодПеревод
стол		КодонУсловный
перевод		Стандартный перевод
ДНКРНК
Кариореликт ядерный27TGAUGAТер (*)или жеTrp (Вт)Тер (*)
Кондилостома ядерный28TAAUAAТер (*)или жеGln (Q)Тер (*)
ТЕГUAGТер (*)или жеGln (Q)Тер (*)
TGAUGAТер (*)или жеTrp (Вт)Тер (*)
Бластокритидии ядерный31TAAUAAТер (*)или жеGlu (E)Тер (*)
ТЕГUAGТер (*)или жеGlu (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.

Непрерывные мутации связаны с несколькими врожденными заболеваниями, включая врожденная гиперплазия надпочечников,[19] вариабельная дисгенезия переднего сегмента,[20] кистозный фиброз[21] и митохондриальная нейрогастроинтестинальная энцефаломиопатия.[22]

Скрытые остановки

Пример делеции одного основания, образующей стоп-кодон.

Скрытые остановки нон-стоп-кодоны, которые были бы прочитаны как стоп-кодоны, если бы они были смещенная рамка +1 или -1. Они преждевременно прекращают трансляцию, если соответствующий сдвиг рамки (например, из-за проскальзывания рибосомной РНК) происходит до скрытой остановки. Предполагается, что это снижает трату ресурсов на нефункциональные белки и производство потенциальных цитотоксины. Исследователи из Университет штата Луизиана предложить гипотеза засады, для которых выбраны скрытые остановки. Кодоны, которые могут образовывать скрытые остановки, используются в геномах чаще, чем синонимичные кодоны, которые в противном случае кодировали бы ту же аминокислоту. Нестабильный рРНК в организме коррелирует с более высокой частотой скрытых остановок.[23]Однако эта гипотеза не могла быть подтверждена на более крупном наборе данных.[24]

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 малатдегидрогеназа стоп-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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гриффитс AJF, Миллер JH, Suzuki DT, Lewontin RC, Gelbart WM (2000). «Глава 10 (Молекулярная биология функции генов): Генетический код: стоп-кодоны». Введение в генетический анализ. W.H. Фримен и компания.
  2. ^ Barrell, B.G .; Банкир, А. Т .; Друин, Дж. (1979-11-08). «Другой генетический код в митохондриях человека». Природа. 282 (5735): 189–194. Дои:10.1038 / 282189a0. ISSN  0028-0836. PMID  226894. S2CID  4335828.
  3. ^ А. М. Неделку, Р. В. Ли, Г. Лемье, М. В. Грей, Г. Бургер (июнь 2000 г.). "Полная последовательность митохондриальной ДНК Scenedesmus obliquus отражает промежуточный этап эволюции митохондриального генома зеленых водорослей ». Геномные исследования. 10 (6): 819–831. Дои:10.1101 / гр. 10.6.819. ЧВК  310893. PMID  10854413.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ Wideman, Джереми Дж .; Монье, Адам; Родригес-Мартинес, Ракель; Леонард, Гай; Повар, Эмили; Пуарье, Камилла; Магуайр, Финлей; Милнер, Дэвид С .; Ирвин, Николас А. Т .; Мур, Карен; Санторо, Элисон Э. (25 ноября 2019 г.). «Неожиданное разнообразие митохондриального генома, выявленное целенаправленной одноклеточной геномикой гетеротрофных флагеллированных протистов». Природная микробиология. 5 (1): 154–165. Дои:10.1038 / с41564-019-0605-4. HDL:10871/39819. ISSN  2058-5276. PMID  31768028. S2CID  208279678.
  5. ^ Сварт, Эстьен Карл; Серра, Валентина; Петрони, Джулио; Новацкий, Мариуш (2016). «Генетические коды без выделенного стоп-кодона: контекстно-зависимое завершение перевода». Клетка. 166 (3): 691–702. Дои:10.1016 / j.cell.2016.06.020. ЧВК  4967479. PMID  27426948.
  6. ^ Папп, Лаура Ванда; Лу, Джун; Холмгрен, Арне; Ханна, Кум-Кум (2007). «От селена к селенопротеинам: синтез, идентичность и их роль в здоровье человека». Антиоксиданты и редокс-сигналы. 9 (7): 775–806. Дои:10.1089 / ars.2007.1528. PMID  17508906. S2CID  38176932.
  7. ^ Поволоцкая И.С., Кондрашов Ф.А., Ледда А, Власов П.К. (2012). «Стоп-кодоны в бактериях не избирательно эквивалентны». Биология Директ. 7: 30. Дои:10.1186/1745-6150-7-30. ЧВК  3549826. PMID  22974057.
  8. ^ Коркмаз, Гюркан; Холм, Микаэль; Винс, Тобиас; Саньял, Супарна (2014). «Комплексный анализ использования стоп-кодонов в бактериях и его корреляции с изобилием релиз-фактора». Журнал биологической химии. 289 (44): 775–806. Дои:10.1074 / jbc.M114.606632. ЧВК  4215218. PMID  25217634.
  9. ^ "кишечная палочка ул. К-12 подл. MG1655, полный геном [регистрационный номер Genbank: U00096] ". GenBank. NCBI. Получено 2013-01-27.
  10. ^ Коркмаз, Гюркан; Холм, Микаэль; Винс, Тобиас; Саньял, Супарна (2014). «Комплексный анализ использования стоп-кодонов в бактериях и его корреляции с изобилием релиз-фактора». Журнал биологической химии. 289 (44): 775–806. Дои:10.1074 / jbc.M114.606632. ЧВК  4215218. PMID  25217634.
  11. ^ Вонг, Тит-Йи; Фернандес, Санджит; Санкхон, Наби; Леонг, Патрик П.; Куо, Джимми; Лю, Чон-Кан (2008). «Роль преждевременных стоп-кодонов в эволюции бактерий». Журнал бактериологии. 190 (20): 6718–6725. Дои:10.1128 / JB.00682-08. ЧВК  2566208. PMID  18708500.
  12. ^ Ито, Коичи; Уно, Макико; Накамура, Йошикадзу (1999). «Трипептид« антикодон »расшифровывает стоп-кодоны в информационной РНК». Природа. 403 (6770): 680–684. Дои:10.1038/35001115. PMID  10688208. S2CID  4331695.
  13. ^ Коркмаз, Гюркан; Саньял, Супарна (2017). «Мутация R213I фактора высвобождения 2 (RF2) - это шаг вперед в разработке всемогущего фактора высвобождения у бактерий. кишечная палочка". Журнал биологической химии. 292 (36): 15134–15142. Дои:10.1074 / jbc.M117.785238. ЧВК  5592688. PMID  28743745.
  14. ^ Шталь FW (1995). «Янтарные мутанты фага Т4». Генетика. 141 (2): 439–442. ЧВК  1206745. PMID  8647382.
  15. ^ а б c Левин, Бенджамин; Krebs, Jocelyn E .; Goldstein, Elliott S .; Килпатрик, Стивен Т. (18 апреля 2011 г.). Основные Гены Левина. Издательство "Джонс и Бартлетт". ISBN  978-1-4496-4380-5.
  16. ^ Робин Кук. "Обзор мутаций янтаря, охры и опала". Мир генетики. Гейл.
  17. ^ Brenner, S .; Стреттон, А. О. У .; Каплан, С. (1965). «Генетический код: триплеты« бессмыслицы »для прерывания цепи и их подавления». Природа. 206 (4988): 994–8. Bibcode:1965Натура.206..994Б. Дои:10.1038 / 206994a0. PMID  5320272. S2CID  28502898.
  18. ^ Brenner, S .; Barnett, L .; Katz, E. R .; Крик, Ф. Х. С. (1967). «UGA: Третья бессмыслица в генетическом коде». Природа. 213 (5075): 449–50. Bibcode:1967Натура.213..449Б. Дои:10.1038 / 213449a0. PMID  6032223. S2CID  4211867.
  19. ^ Pang S .; Wang W .; и другие. (2002). «Новая непрерывная мутация в стоп-кодоне и новая миссенс-мутация в гене 3бета-гидроксистероид дегидрогеназы (3beta-HSD) типа II, вызывающая, соответственно, неклассическую и классическую врожденную гиперплазию надпочечников с дефицитом 3beta-HSD». J Clin Endocrinol Metab. 87 (6): 2556–63. Дои:10.1210 / jc.87.6.2556. PMID  12050213.
  20. ^ Doucette, L .; и другие. (2011). "Новая непрерывная мутация в FOXE3 вызывает аутосомно-доминантную форму вариабельной дисгенезии переднего сегмента, включая аномалию Петерса ». Европейский журнал генетики человека. 19 (3): 293–299. Дои:10.1038 / ejhg.2010.210. ЧВК  3062009. PMID  21150893.
  21. ^ Гуимбеллот, Дженнифер; Шарма, Джьоти; Роу, Стивен М. (ноябрь 2017 г.). «На пути к инклюзивной терапии с модуляторами CFTR: прогресс и проблемы». Детская пульмонология. 52 (S48): S4 – S14. Дои:10.1002 / ppul.23773. ISSN  1099-0496. ЧВК  6208153. PMID  28881097.
  22. ^ Torres-Torronteras, J .; Rodriguez-Palmero, A .; и другие. (2011). «Новая непрерывная мутация в TYMP не вызывает безостановочный распад мРНК у пациента MNGIE с тяжелой нейропатией» (PDF). Гм. Мутат. 32 (4): E2061 – E2068. Дои:10.1002 / humu.21447. PMID  21412940.
  23. ^ Селигманн, Эрве; Поллок, Дэвид Д. (2004). «Гипотеза засады: скрытые стоп-кодоны предотвращают чтение генов вне кадра». ДНК и клеточная биология. 23 (10): 701–5. Дои:10.1089/1044549042476910. PMID  15585128.
  24. ^ Кавальканти, Андре; Чанг, Шарлотта Н .; Моргенс, Дэвид В. (2013). «Преодоление гипотезы засады: прогнозирование и оценка частот кодонов вне кадра в геномах прокариот». BMC Genomics. 14 (418): 1–8. Дои:10.1186/1471-2164-14-418. ЧВК  3700767. PMID  23799949.
  25. ^ Вонг, Тит-Йи; Шварцбах, Стив (2015). «Неправильная терминация белка вызывает генетические заболевания, рак и ограничивает расширение бактериального генома». Журнал экологической науки и здоровья, часть C. 33 (3): 255–85. Дои:10.1080/10590501.2015.1053461. PMID  26087060. S2CID  20380447.
  26. ^ Нами О, Руссе Дж. П., Наптин С, Бриерли I (2004). «Перепрограммированное генетическое декодирование в экспрессии клеточных генов». Молекулярная клетка. 13 (2): 157–68. Дои:10.1016 / S1097-2765 (04) 00031-0. PMID  14759362.
  27. ^ Шуерен Ф., Лингнер Т., Джордж Р., Хофхейс Дж., Гартнер Дж., Томс С. (2014). «Пероксисомальная лактатдегидрогеназа вырабатывается путем считывания трансляции у млекопитающих». eLife. 3: e03640. Дои:10.7554 / eLife.03640. ЧВК  4359377. PMID  25247702.
  28. ^ Hofhuis J, Schueren F, Nötzel C, Lingner T, Gärtner J, Jahn O, Thoms S (2016). «Расширение функционального считывания малатдегидрогеназы обнаруживает модификацию генетического кода». Открыть Биол. 6 (11): 160246. Дои:10.1098 / rsob.160246. ЧВК  5133446. PMID  27881739.
  29. ^ Бланше С., Корню Д., Аргентини М., Нами О. (2014). "Новые данные о включении естественных супрессорных тРНК в стоп-кодоны в Saccharomyces cerevisiae". Нуклеиновые кислоты Res. 42 (15): 10061–72. Дои:10.1093 / нар / gku663. ЧВК  4150775. PMID  25056309.
  30. ^ "Смотри, как я раскрываю" синтетическую жизнь"".