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Jun 22, 2023

La decodifica dell'mRNA nell'uomo è cineticamente e strutturalmente distinta dai batteri

Nature volume 617, pages

Natura volume 617, pagine 200–207 (2023) Citare questo articolo

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In tutte le specie, i ribosomi sintetizzano le proteine ​​decodificando fedelmente sequenze nucleotidiche di RNA messaggero (mRNA) utilizzando substrati aminoacil-tRNA. Le attuali conoscenze sul meccanismo di decodificazione derivano principalmente da studi su sistemi batterici1. Sebbene le caratteristiche chiave siano conservate nel corso dell'evoluzione2, gli eucarioti raggiungono una decodifica dell'mRNA più fedele rispetto ai batteri3. Nell'uomo, i cambiamenti nella fedeltà di decodifica sono legati all'invecchiamento e alla malattia e rappresentano un potenziale punto di intervento terapeutico nel trattamento sia virale che tumorale4,5,6. Qui combiniamo l'imaging a singola molecola e i metodi di microscopia elettronica criogenica per esaminare le basi molecolari della fedeltà dei ribosomi umani per rivelare che il meccanismo di decodifica è sia cineticamente che strutturalmente distinto da quello dei batteri. Sebbene la decodifica sia globalmente analoga in entrambe le specie, la coordinata di reazione del movimento dell'aminoacil-tRNA è alterata sul ribosoma umano e il processo è molto più lento. Queste distinzioni derivano da elementi strutturali specifici degli eucarioti nel ribosoma umano e nel fattore di allungamento eucariotico 1A (eEF1A) che insieme coordinano l'incorporazione fedele del tRNA in ciascun codone dell'mRNA. La natura distinta e la tempistica dei cambiamenti conformazionali all'interno del ribosoma e dell'eEF1A razionalizzano il modo in cui viene raggiunta e potenzialmente regolata una maggiore fedeltà di decodifica nelle specie eucariotiche.

Il codice genetico che traduce l'mRNA in sequenza proteica è stabilito dal ribosoma a due subunità, un assemblaggio RNA-proteina multi-megadalton. Le regioni centrali delle subunità ribosomiali grandi (LSU) e piccole (SSU) sono conservate evolutivamente in tutte le specie2. Questa conservazione riflette la domanda onnipresente di ribosomi di interagire rapidamente e accuratamente con molecole adattatrici di aminoacil-tRNA (aa-tRNA) strutturalmente simili, ma con sequenza diversa1. Nell'uomo, le terapie emergenti mirano al processo di decodifica dell'mRNA per trattare malattie monogeniche4, infezioni virali5 e cancro6. Anche le differenze strutturali e normative tra le specie sono alla base dell’efficacia degli antibiotici7.

Approfondite indagini biochimiche, cinetiche e strutturali eseguite principalmente sui batteri1,8,9,10,11 hanno rivelato che la decodifica dipende da un meccanismo di correzione di bozze cinetico in due fasi. Nei batteri, la decodifica inizia con la selezione iniziale, in cui gli aa-tRNA in un complesso ternario con GTP e una GTPasi conservata a tre domini - fattore di allungamento termico instabile (EF-Tu) - campionano il codone dell'mRNA all'interno del sito dell'amminoacile (sito A). ) sul bordo anteriore (3' mRNA) del ribosoma. L'appaiamento delle basi tra il codone dell'mRNA e l'ansa dello stelo dell'anticodone aa-tRNA (ASL) viene verificato attraverso una rete di RNA ribosomiale (rRNA) e interazioni proteiche all'interno del sito SSU A noto come centro di decodifica. Il riconoscimento dell'aa-tRNA affine chiude il dominio della spalla della SSU verso i domini del corpo e della testa della SSU. Il conseguente coinvolgimento del complesso ternario del centro di attivazione della GTPasi (GAC) dell'LSU, incluso il loop catalitico sarcina-ricina12 (SRL), induce riarrangiamenti nella GTPasi, incluso il rimodellamento switch-I e switch-II, che innescano l'idrolisi del GTP8,12,13 ,14.

L'idrolisi del GTP avvia la seconda selezione di correzione di bozze, durante la quale il rimodellamento della GTPasi consente l'accomodamento dell'estremità 3′-CCA coniugata con amminoacidi dell'aa-tRNA nel centro della peptidil transferasi (PTC) dell'LSU. Lì, la formazione del legame peptidico trasferisce la catena peptidica nascente dal tRNA all'interno del sito di legame del peptidil-tRNA (sito P) all'aa-tRNA. La formazione del legame peptidico termina la decodifica, creando il complesso di pre-traslocazione (PRE). La fedeltà della decodifica viene stabilita dal rifiuto preferenziale degli aa-tRNA errati durante la selezione iniziale prima dell'idrolisi del GTP e di nuovo durante la selezione di correzione di bozze prima della formazione del legame peptidico.

Istantanee strutturali di ribosomi di mammiferi isolati da estratti cellulari, così come recenti studi tomografici, hanno fornito intuizioni trasformative sulle distinzioni meccanicistiche della traduzione dei mammiferi15,16,17. Sebbene l'omologo eucariotico di EF-Tu, eEF1A e il ribosoma subiscano entrambi cambiamenti conformazionali su larga scala, i ribosomi dei mammiferi subiscono un processo di "rotolamento" delle subunità di cui manca l'osservazione nei batteri15,18. Il ruolo e la tempistica di questi eventi conformazionali nell'uomo e il modo in cui le caratteristiche di decodificazione specifiche degli eucarioti contribuiscono alla fedeltà non sono attualmente chiari.