Een gezamenlijke onderzoeksgroep van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en de Kyoto Sangyo University heeft ontdekt dat een eiwit, tijdens zijn synthese, kan de structuur van het ribosoom destabiliseren en zijn eigen synthese voortijdig beëindigen, en ontdekte dat dit fenomeen wordt gebruikt om de cel aan te passen aan zijn omgeving.

Achtergrond

Eiwitten zijn functionele moleculen, die het leven ondersteunen en driedimensionale structuren zijn van polypeptideketens, ketens van gekoppelde aminozuren. De configuratie van aminozuren op deze keten (de sequentie) is geschreven in de DNA-sequentie. Polypeptideketens worden gevormd waar het ribosoom, de eiwitsynthesemachinerie, bevindt zich op een kopie van de DNA-sequentie (messenger-RNA). Het begint aminozuren één voor één te polymeriseren door te selecteren uit 20 soorten aminozuren om aan de link toe te voegen volgens de genetische code. Het wordt voltooid op het eindpunt waar de ketting loskomt van het ribosoom.

Het proces waarbij een eiwit in een ribosoom wordt gesynthetiseerd, wordt "vertaling, " en alle eiwitten van alle levende organismen, inclusief mensen, worden geproduceerd door middel van vertaling. Men dacht dat, in het proces van het koppelen van aminozuren aan het ribosoom, de nieuw gevormde polypeptideketen (ontluikende keten) werd continu gesynthetiseerd.

In recente studies van deze onderzoeksgroep en anderen, het is duidelijk geworden dat snelheidsfluctuaties aanzienlijk optreden bij vertaling - dat sommige ontluikende ketens, afhankelijk van de aminozuurvolgorde, handelen op het ribosoom dat het vormt om de translatiestaptijd te vertragen.

Overzicht van de onderzoeksresultaten

De onderzoeksgroep onder leiding van Hideki Taguchi van Tokyo Tech en Koreaki Ito van de Kyoto Sangyo University ontdekte dat, wanneer een gereconstitueerd celvrij translatiesysteem van E. coli werd gemaakt om eiwitten te vertalen met sequenties van ongeveer tien zure aminozuren (asparaginezuur en glutaminezuur) of sequenties waarin ofwel een zuur aminozuur en een aminozuur genaamd proline afwisselend zijn gekoppeld, vertaling stopt halverwege wanneer een dergelijke reeks is vertaald. Deze mislukte gebeurtenis vindt plaats wanneer de ribosomen die de aminozuursequentie synthetiseren, gedestabiliseerd raken als gevolg van inwerking op de ontluikende keten (de onderzoekers noemen dit "IRD":"intrinsieke ribosoomdestabilisatie"). Het resulteert in het splitsen van het ribosoom in de grote en kleine subeenheden (Figuur 1). het ribosoom, met zijn rol bij het synthetiseren van enkele duizenden of tienduizenden soorten eiwitten in de cel, werd verondersteld de leiding te hebben bij het koppelen van combinaties van aminozuursequenties. Echter, de ontdekking van IRD, waarbij het ribosoom tijdens translatie wordt gedestabiliseerd door ontluikende ketens die het zelf synthetiseert, geeft aan dat vertaling iets is dat vordert met het potentiële risico om te worden afgebroken. Eiwitten die aminozuursequenties bevatten die IRD veroorzaken, kunnen hun synthese niet voltooien.

Op het eerste gezicht, dit fenomeen van IRD lijkt misschien een defect van het ribosoom, maar wat geeft het aan voor levende organismen?

De onderzoekers hadden ontdekt dat levende organismen ook een mechanisme hebben om IRD tegen te gaan. Deze bevinding leidde ertoe dat ze een mutant van E. coli gebruikten die dit mechanisme mist, met ribosomen dus enigszins gedestabiliseerd en vatbaar voor IRD, en analyseer al het eiwit in een cel (het proteoom). Als resultaat, het team vond dat in de mutant, de cellulaire hoeveelheden van een aantal eiwitten varieerden in vergelijking met de wilde stam. Vooral, MgtA, een membraaneiwit dat magnesiumionen in cellen transporteert, bleek meer dan tien keer meer te worden uitgedrukt. interessant, het gen dat mgtL wordt genoemd en dat de expressie van MgtA reguleert, bezat een IRD-sequentie. Het resultaat van de analyse toonde aan dat E. coli de expressie van MgtA reguleert, met behulp van een speciaal mechanisme met het IRD-fenomeen vanwege de volgorde van mgtL, als reactie op veranderingen in de magnesiumconcentraties in de cel.

Magnesiumionen zijn nodig voor veel levensprocessen in de cel, en is vereist voor vertaling, vooral, om het ribosoom te stabiliseren. Dus, de bevindingen van dit onderzoek suggereren dat E. coli een mechanisme verwierf voor het handhaven van de cellulaire magnesiumionconcentratie door gebruik te maken van het IRD-vermogen van mgtL om een ​​overvloed aan MgtA tot expressie te brengen wanneer zijn groeiomgeving arm aan magnesium wordt. Met andere woorden, een levend organisme heeft een mechanisme voor het volgen van veranderingen in de intracellulaire omgeving door gebruik te maken van het fenomeen IRD (Figuur 2).

Toekomstige ontwikkelingen

Deze studie bracht aan het licht dat, naast het bevatten van informatie die de driedimensionale structuren van eiwitten bepaalt, aminozuursequenties hebben zelfs het vermogen om de stabiliteit van de machinerie die het synthetiseert te beïnvloeden en om de translatie halverwege de cyclus af te breken, eventueel. Dit bevordert ons begrip van de basis van levensprocessen, die worden ondersteund door gereguleerde expressie van genetische informatie. Vroeg, voortijdige stopzetting van de vertaling werd tot nu toe niet beschouwd als een essentieel proces in de levenswetenschappen. Taguchi en de teamleden geloven dat hun prestatie kan worden uitgebreid, in combinatie met de huidige welvaart van life sciences, voor verschillende toepassingen zoals de productie van nieuwe bruikbare eiwitten of de ontwikkeling van biofarmaceutica.