Точность трансляции и частота ошибок

Точность трансляции — это степень, с которой рибосома преобразует последовательность матричной РНК в правильную последовательность аминокислот. Несмотря на среднюю частоту ошибок порядка одной ошибки на несколько тысяч кодонов, точность достигается благодаря множественным этапам отбора и коррекции, а ее пределы определяют качество белка и эволюцию кодирующих последовательностей.

Definition

Точность трансляции — это степень, с которой синтез белка включает аминокислоты, указанные последовательностью кодонов мРНК; частота ошибок — это частота неправильного включения аминокислот (или других событий ошибочного кодирования) на каждый транслированный кодон.

Scope

Эта статья охватывает вопросы того, как рибосома и аминоацил-тРНК-синтетазы отбирают правильные субстраты, как кинетическая коррекция уменьшает ошибки, типичную величину и типы трансляционных ошибок, а также биологические последствия ошибочной трансляции. Она рассматривает точность трансляции как молекулярную тему и не затрагивает вопросы принятия клинических решений.

Core questions

• Какие этапы трансляции определяют точность и где возникают ошибки?
• Как рибосома отличает родственные аминоацил-тРНК от близкородственных?
• Какова типичная частота ошибок и как она регулируется?
• Каковы клеточные и эволюционные последствия ошибочной трансляции?

Key concepts

• Декодирование кодон-антикодон
• Родственная против близкородственной тРНК
• Начальный отбор и коррекция
• EF-Tu и гидролиз ГТФ
• Редактирование аминоацил-тРНК-синтетазой
• Ошибочное считывание и сдвиг рамки
• Использование кодонов и оптимальность

Key theories

Кинетическая коррекция

Точность повышается сверх простой равновесной дискриминации за счет необратимого этапа (гидролиз ГТФ на EF-Tu), вставленного между двумя точками отбора, что дает рибосоме множество возможностей для отторжения близкородственной тРНК.

Ошибочная трансляция как ограничение эволюции кодирующих последовательностей

Поскольку трансляционные ошибки приводят к образованию неправильно свернутых белков с затратами на приспособленность, отбор благоприятствует кодонам и последовательностям, устойчивым к ошибочной трансляции, связывая точность трансляции с общегеномными паттернами использования кодонов.

Mechanisms

Точность обеспечивается на двух основных этапах. Аминоацил-тРНК-синтетазы заряжают каждую тРНК соответствующей аминокислотой, и многие из них корректируют ошибочно заряженные продукты через редактирующие домены. Во время декодирования центр декодирования малой субъединицы рибосомы контролирует геометрию кодон-антикодоновой спирали; правильное спаривание оснований вызывает конформационные изменения, которые способствуют гидролизу ГТФ фактором EF-Tu и аккомодации тРНК, в то время как близкородственные субстраты чаще отторгаются. Включение гидролиза ГТФ между начальным отбором и коррекцией обеспечивает кинетическую коррекцию, умножая дискриминацию. Ошибки, которые избегают этих проверок, включают неправильное включение аминокислот, сдвиг рамки считывания и прочтение насквозь. Использование кодонов и оптимальность дополнительно влияют на скорость и точность элонгации.

Clinical relevance

Аминогликозидные антибиотики действуют отчасти путем связывания с центром декодирования и снижения точности у бактерий, а измененная точность трансляции изучалась в контексте стресса, старения и некоторых моделей заболеваний. Этот материал представлен как фоновая биохимия и не является руководством для диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Механистическое понимание здесь основано на структурных и биохимических исследованиях рибосомы и на количественных анализах частоты ошибок и использования кодонов, а не на клинических рекомендациях.

History

Признание того, что трансляция является высокоточной, но подверженной ошибкам, относится к 1960-1970-м годам, когда были введены измерения ошибочного включения и концепция коррекции (Хопфилд; Нинио). Структурные исследования бактериальной рибосомы около 2000 года, включая структуру субъединицы 30S, выявили центр декодирования с атомным разрешением и объяснили, как рибосома распознает правильное спаривание оснований, работа, которая способствовала присуждению Нобелевской премии по химии 2009 года за структуру рибосомы.

Debates

Что определяет оптимальный уровень точности трансляции?

Более высокая точность требует времени и энергии, поэтому клетки, по-видимому, настраивают точность, а не максимизируют ее; насколько сильно ошибочная трансляция ограничивает эволюцию последовательностей по сравнению с другими силами, остается областью активного моделирования и измерения.

Key figures

• Venki Ramakrishnan
• Rachel Green
• Hani Zaher
• Marina Rodnina
• D. Allan Drummond

Seminal works

• zaher2009
• ramakrishnan2002
• carter2000
• drummond2008

Frequently asked questions

Насколько точна трансляция?

Неправильное включение аминокислот обычно происходит с частотой порядка одной ошибки на несколько тысяч кодонов, хотя точное значение варьируется в зависимости от кодона, обилия тРНК и условий. Рибосома достигает этого за счет отбора субстратов плюс кинетической коррекции.

Почему ошибочная трансляция имеет значение?

Ошибки могут приводить к образованию неправильно свернутых белков, которые нагружают систему контроля качества, и считается, что затраты на приспособленность из-за неправильного сворачивания формируют использование кодонов. Некоторые антибиотики намеренно снижают точность трансляции у бактерий.