ความเที่ยงตรงของการแปลรหัสและอัตราความผิดพลาด

ความเที่ยงตรงของการแปลรหัสคือความแม่นยำที่ไรโบโซมใช้ในการเปลี่ยนลำดับของสารพันธุกรรมอาร์เอ็นเอส่งข่าว (messenger RNA) ให้เป็นลำดับกรดอะมิโนที่ถูกต้อง แม้ว่าโดยเฉลี่ยแล้วอัตราความผิดพลาดจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งข้อผิดพลาดต่อทุกๆ สองสามพันโคดอน แต่ความเที่ยงตรงนี้ก็เกิดขึ้นได้ผ่านกระบวนการคัดเลือกและการพิสูจน์อักษรหลายขั้นตอน และขีดจำกัดของความเที่ยงตรงนี้มีผลต่อคุณภาพของโปรตีนและวิวัฒนาการของลำดับการถอดรหัส

Definition

ความเที่ยงตรงของการแปลรหัสคือระดับที่การสังเคราะห์โปรตีนมีการรวมกรดอะมิโนตามที่ระบุโดยลำดับโคดอนของ mRNA; อัตราความผิดพลาดคือความถี่ของการรวมกรดอะมิโนที่ไม่ถูกต้อง (หรือเหตุการณ์การถอดรหัสผิดพลาดอื่นๆ) ต่อโคดอนที่ถูกแปลรหัส

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่ไรโบโซมและอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทส (aminoacyl-tRNA synthetases) เลือกสารตั้งต้นที่ถูกต้อง วิธีการที่การพิสูจน์อักษรเชิงจลนพลศาสตร์ (kinetic proofreading) ช่วยลดข้อผิดพลาด ขนาดและประเภทของข้อผิดพลาดในการแปลรหัสที่พบบ่อย และผลกระทบทางชีววิทยาของการแปลรหัสผิดพลาด บทความนี้ถือว่าความแม่นยำในการแปลรหัสเป็นหัวข้อทางโมเลกุล และไม่ได้กล่าวถึงการตัดสินใจทางคลินิก

Core questions

• ขั้นตอนใดของการแปลรหัสที่กำหนดความแม่นยำ และข้อผิดพลาดเกิดขึ้นที่ใด?
• ไรโบโซมแยกแยะอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอที่ถูกต้องออกจากอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอที่ใกล้เคียงแต่ไม่ถูกต้องได้อย่างไร?
• อัตราความผิดพลาดโดยทั่วไปเป็นเท่าใด และมีการปรับแต่งอย่างไร?
• ผลกระทบระดับเซลล์และวิวัฒนาการของการแปลรหัสผิดพลาดคืออะไร?

Key concepts

• การถอดรหัสโคดอน-แอนติโคดอน
• ทีอาร์เอ็นเอที่ถูกต้องเทียบกับทีอาร์เอ็นเอที่ใกล้เคียงแต่ไม่ถูกต้อง
• การคัดเลือกเบื้องต้นและการพิสูจน์อักษร
• EF-Tu และการไฮโดรไลซิส GTP
• การแก้ไขโดยอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทส
• การอ่านผิดและการเลื่อนเฟรม
• การใช้โคดอนและความเหมาะสม

Key theories

การพิสูจน์อักษรเชิงจลนพลศาสตร์

ความแม่นยำเพิ่มขึ้นเกินกว่าการแยกแยะสมดุลแบบง่ายๆ โดยขั้นตอนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (การไฮโดรไลซิส GTP บน EF-Tu) ที่แทรกอยู่ระหว่างจุดคัดเลือกสองจุด ทำให้ไรโบโซมมีโอกาสหลายครั้งในการปฏิเสธ tRNA ที่ใกล้เคียงแต่ไม่ถูกต้อง

การแปลรหัสผิดพลาดเป็นข้อจำกัดต่อวิวัฒนาการของลำดับการถอดรหัส

เนื่องจากข้อผิดพลาดในการแปลรหัสสร้างโปรตีนที่พับผิดรูปซึ่งมีต้นทุนต่อความเหมาะสม การคัดเลือกจึงส่งเสริมโคดอนและลำดับที่ทนทานต่อการแปลรหัสผิดพลาด ซึ่งเชื่อมโยงความแม่นยำในการแปลรหัสกับรูปแบบการใช้โคดอนทั่วทั้งจีโนม

Mechanisms

ความเที่ยงตรงถูกบังคับใช้ในสองขั้นตอนหลัก อะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทสจะเติมกรดอะมิโนที่ถูกต้องให้กับ tRNA แต่ละตัว และหลายตัวจะมีการพิสูจน์อักษรผลิตภัณฑ์ที่เติมผิดพลาดผ่านโดเมนการแก้ไข ในระหว่างการถอดรหัส ศูนย์ถอดรหัสของหน่วยย่อยเล็กของไรโบโซมจะตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของเกลียวโคดอน-แอนติโคดอน การจับคู่เบสที่ถูกต้องจะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ส่งเสริมการไฮโดรไลซิส GTP โดย EF-Tu และการจัดวาง tRNA ในขณะที่สารตั้งต้นที่ใกล้เคียงแต่ไม่ถูกต้องมักจะถูกปฏิเสธ การแทรกแซงของการไฮโดรไลซิส GTP ระหว่างการคัดเลือกเบื้องต้นและการพิสูจน์อักษรทำให้เกิดการพิสูจน์อักษรเชิงจลนพลศาสตร์ ซึ่งเพิ่มความสามารถในการแยกแยะ ข้อผิดพลาดที่หลุดรอดจากการตรวจสอบเหล่านี้รวมถึงการรวมกรดอะมิโนผิดพลาด การเลื่อนเฟรม และการอ่านทะลุ การใช้โคดอนและความเหมาะสมยังส่งผลต่อความเร็วและความแม่นยำของการยืดตัว

Clinical relevance

ยาปฏิชีวนะกลุ่มอะมิโนไกลโคไซด์ออกฤทธิ์บางส่วนโดยการจับกับศูนย์ถอดรหัสและลดความเที่ยงตรงในแบคทีเรีย และความแม่นยำในการแปลรหัสที่เปลี่ยนแปลงไปได้มีการศึกษาในบริบทของความเครียด ความชรา และแบบจำลองโรคบางชนิด เนื้อหานี้ถูกนำเสนอเป็นพื้นฐานทางชีวเคมีและไม่ใช่แนวทางสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ความเข้าใจเชิงกลไกในที่นี้อาศัยการศึกษาโครงสร้างและชีวเคมีของไรโบโซม และการวิเคราะห์เชิงปริมาณของอัตราความผิดพลาดและการใช้โคดอน มากกว่าที่จะเป็นแนวทางทางคลินิก

History

การตระหนักว่าการแปลรหัสมีความเที่ยงตรงสูงแต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดนั้นมีมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1960-1970 เมื่อมีการวัดการรวมผิดพลาดและแนวคิดการพิสูจน์อักษร (โดย Hopfield; Ninio) ได้ถูกนำเสนอ การศึกษาโครงสร้างของไรโบโซมแบคทีเรียประมาณปี 2000 รวมถึงโครงสร้างของหน่วยย่อย 30S ได้เปิดเผยศูนย์ถอดรหัสในระดับอะตอมและอธิบายว่าไรโบโซมรับรู้การจับคู่เบสที่ถูกต้องได้อย่างไร ซึ่งเป็นผลงานที่นำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2009 สำหรับโครงสร้างไรโบโซม

Debates

อะไรเป็นตัวกำหนดระดับความแม่นยำในการแปลรหัสที่เหมาะสมที่สุด?

ความเที่ยงตรงที่สูงขึ้นต้องใช้เวลาและพลังงาน ดังนั้นเซลล์จึงดูเหมือนจะปรับแต่งความแม่นยำมากกว่าที่จะเพิ่มให้สูงสุด; ความรุนแรงที่การแปลรหัสผิดพลาดจำกัดวิวัฒนาการของลำดับเทียบกับแรงอื่นๆ ยังคงเป็นประเด็นของการสร้างแบบจำลองและการวัดผลที่กำลังดำเนินอยู่

Key figures

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

Seminal works

• zaher2009
• ramakrishnan2002
• carter2000
• drummond2008

Frequently asked questions

การแปลรหัสมีความแม่นยำเพียงใด?

การรวมกรดอะมิโนผิดพลาดมักเกิดขึ้นในอัตราประมาณหนึ่งข้อผิดพลาดต่อทุกๆ สองสามพันโคดอน แม้ว่าค่าที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามโคดอน ความอุดมสมบูรณ์ของ tRNA และสภาวะต่างๆ ไรโบโซมบรรลุความแม่นยำนี้ผ่านการคัดเลือกสารตั้งต้นและการพิสูจน์อักษรเชิงจลนพลศาสตร์

ทำไมการแปลรหัสผิดพลาดจึงมีความสำคัญ?

ข้อผิดพลาดอาจทำให้เกิดโปรตีนที่พับผิดรูปซึ่งเป็นภาระต่อระบบควบคุมคุณภาพ และต้นทุนความเหมาะสมของการพับผิดรูปนี้เชื่อว่ามีผลต่อการใช้โคดอน ยาปฏิชีวนะบางชนิดจงใจลดความเที่ยงตรงในการแปลรหัสของแบคทีเรีย