Độ chính xác và Tỷ lệ lỗi trong dịch mã

Độ chính xác của dịch mã là mức độ mà ribosome chuyển đổi một trình tự RNA thông tin thành trình tự axit amin chính xác. Mặc dù tỷ lệ lỗi trung bình vào khoảng một lỗi trên vài nghìn codon, độ chính xác vẫn đạt được thông qua nhiều bước chọn lọc và sửa lỗi, và giới hạn của nó định hình chất lượng protein và sự tiến hóa của các trình tự mã hóa.

Definition

Độ chính xác của dịch mã là mức độ mà quá trình tổng hợp protein kết hợp các axit amin được chỉ định bởi trình tự codon mRNA; tỷ lệ lỗi là tần suất kết hợp axit amin không chính xác (hoặc các sự kiện mã hóa sai khác) trên mỗi codon được dịch mã.

Scope

Mục này bao gồm cách ribosome và aminoacyl-tRNA synthetase chọn lọc các cơ chất chính xác, cách sửa lỗi động học làm giảm lỗi, mức độ và các loại lỗi dịch mã điển hình, và hậu quả sinh học của việc dịch mã sai. Nó coi độ chính xác của dịch mã như một chủ đề phân tử và không đề cập đến việc ra quyết định lâm sàng.

Core questions

• Những bước nào của dịch mã xác định độ chính xác, và lỗi phát sinh từ đâu?
• Ribosome phân biệt aminoacyl-tRNA tương đồng với aminoacyl-tRNA gần tương đồng như thế nào?
• Tỷ lệ lỗi điển hình là bao nhiêu, và nó được điều chỉnh như thế nào?
• Hậu quả của việc dịch mã sai đối với tế bào và sự tiến hóa là gì?

Key concepts

• Giải mã codon-anticodon
• tRNA tương đồng so với tRNA gần tương đồng
• Chọn lọc ban đầu và sửa lỗi
• EF-Tu và thủy phân GTP
• Chỉnh sửa aminoacyl-tRNA synthetase
• Đọc sai và dịch khung
• Sử dụng codon và tính tối ưu hóa

Key theories

Sửa lỗi động học

Độ chính xác được tăng cường vượt ra ngoài sự phân biệt cân bằng đơn giản bằng một bước không thể đảo ngược (thủy phân GTP trên EF-Tu) được xen kẽ giữa hai điểm chọn lọc, mang lại cho ribosome nhiều cơ hội để từ chối một tRNA gần tương đồng.

Dịch mã sai như một ràng buộc đối với sự tiến hóa của trình tự mã hóa

Vì các lỗi dịch mã tạo ra các protein bị gấp sai với chi phí về khả năng thích nghi, chọn lọc ưu tiên các codon và trình tự bền vững với việc dịch mã sai, liên kết độ chính xác dịch mã với các mô hình sử dụng codon trên toàn bộ bộ gen.

Mechanisms

Độ chính xác được thực thi ở hai giai đoạn chính. Aminoacyl-tRNA synthetase gắn mỗi tRNA với axit amin chính xác của nó và nhiều loại sửa lỗi các sản phẩm bị gắn sai thông qua các miền chỉnh sửa. Trong quá trình giải mã, trung tâm giải mã của tiểu đơn vị nhỏ ribosome giám sát hình học của xoắn codon-anticodon; việc bắt cặp bazơ chính xác kích hoạt các thay đổi cấu trúc thúc đẩy quá trình thủy phân GTP bởi EF-Tu và sự phù hợp của tRNA, trong khi các cơ chất gần đúng thường bị từ chối nhiều hơn. Việc xen kẽ thủy phân GTP giữa chọn lọc ban đầu và sửa lỗi cung cấp cơ chế sửa lỗi động học, nhân lên khả năng phân biệt. Các lỗi thoát khỏi các kiểm tra này bao gồm việc kết hợp sai axit amin, dịch khung và đọc xuyên. Việc sử dụng codon và tính tối ưu hóa tiếp tục ảnh hưởng đến tốc độ và độ chính xác của quá trình kéo dài.

Clinical relevance

Kháng sinh aminoglycoside hoạt động một phần bằng cách liên kết với trung tâm giải mã và giảm độ chính xác ở vi khuẩn, và độ chính xác dịch mã bị thay đổi đã được nghiên cứu trong bối cảnh căng thẳng, lão hóa và một số mô hình bệnh. Tài liệu này được trình bày như kiến thức cơ bản về hóa sinh và không phải là hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Sự hiểu biết về cơ chế ở đây dựa trên các nghiên cứu cấu trúc và hóa sinh của ribosome và trên các phân tích định lượng về tỷ lệ lỗi và việc sử dụng codon, chứ không phải trên các hướng dẫn lâm sàng.

History

Việc nhận ra rằng dịch mã có độ chính xác cao nhưng dễ mắc lỗi có từ những năm 1960-1970, khi các phép đo về sự kết hợp sai và khái niệm sửa lỗi (Hopfield; Ninio) được giới thiệu. Các nghiên cứu cấu trúc về ribosome vi khuẩn vào khoảng năm 2000, bao gồm cấu trúc tiểu đơn vị 30S, đã tiết lộ trung tâm giải mã ở độ phân giải nguyên tử và giải thích cách ribosome cảm nhận sự bắt cặp bazơ chính xác, công trình đã đóng góp vào Giải Nobel Hóa học năm 2009 về cấu trúc ribosome.

Debates

Điều gì thiết lập mức độ tối ưu của độ chính xác dịch mã?

Độ chính xác cao hơn tốn thời gian và năng lượng, vì vậy các tế bào dường như điều chỉnh độ chính xác thay vì tối đa hóa nó; mức độ mà việc dịch mã sai ràng buộc sự tiến hóa trình tự so với các lực khác vẫn là một lĩnh vực mô hình hóa và đo lường tích cực.

Key figures

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

Seminal works

• zaher2009
• ramakrishnan2002
• carter2000
• drummond2008

Frequently asked questions

Dịch mã chính xác đến mức nào?

Việc kết hợp sai axit amin thường xảy ra với tỷ lệ khoảng một lỗi trên vài nghìn codon, mặc dù giá trị chính xác thay đổi tùy theo codon, sự phong phú của tRNA và các điều kiện. Ribosome đạt được điều này thông qua việc chọn lọc cơ chất cộng với sửa lỗi động học.

Tại sao dịch mã sai lại quan trọng?

Lỗi có thể tạo ra các protein bị gấp sai gây gánh nặng cho hệ thống kiểm soát chất lượng, và chi phí về khả năng thích nghi của việc gấp sai được cho là định hình việc sử dụng codon. Một số kháng sinh cố ý làm giảm độ chính xác dịch mã của vi khuẩn.