Рибосомальний зсув рамки зчитування: відмінності між версіями

'''Рибосомальний зсув рамки зчитування''' ({{lang-en|ribosomal frameshifting}}), також відомий як '''трансляційний зсув рамки зчитування''' ({{lang-en|translational frameshifting}}) або '''трансляційне перекодування''' ({{lang-en|translational recoding}})&nbsp;— це біологічне явище, що виникає під час [[Трансляція (біологія)|трансляції]], й внаслідок якого продукується декілька унікальних білків з однієї [[Матрична рибонуклеїнова кислота|мРНК]]<ref>{{cite journal | authors = Atkins JF, Loughran G, Bhatt PR, Firth AE, Baranov PV | title = Ribosomal frameshifting and transcriptional slippage: From genetic steganography and cryptography to adventitious use | journal = Nucleic Acids Research | volume = 44 | issue = 15 | pages = 7007–7078 | date = September 2016 | pmid = 27436286 | pmc = 5009743 | doi = 10.1093/nar/gkw530 }}</ref>. Процес може бути запрограмований нуклеотидною послідовністю мРНК і іноді впливає на вторинну, тривимірну структуру мРНК<ref name=":02">{{cite journal | authors = Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE | title = Protein-directed ribosomal frameshifting temporally regulates gene expression | journal = Nature Communications | volume = 8 | pages = 15582 | date = June 2017 | pmid = 28593994 | pmc = 5472766 | doi = 10.1038/ncomms15582 | bibcode = 2017NatCo...815582N }}</ref>. Це явище описане здебільшого у [[Вірус|вірусів]] (особливо у [[Ретровіруси|ретровірусів]]), [[Транспозон|ретротранспозонах]], бактеріальних вставних елементах, а також у деяких клітинних генах<ref name=":1">{{cite journal | authors = Ketteler R | title = On programmed ribosomal frameshifting: the alternative proteomes | language = English | journal = Frontiers in Genetics | volume = 3 | pages = 242 | date = 2012 | pmid = 23181069 | pmc = 3500957 | doi = 10.3389/fgene.2012.00242 }}</ref>.

== Огляд процесу ==

Білки транслюються шляхом зчитування [[кодон]]ів (трьох послідовно розташованих нуклеотидних залишків) з ланцюга мРНК, з одного кінця мРНК до іншого (від 5'- до 3'-кінця). Кожен кодон транслюється в одну амінокислоту. Таким чином, зсув будь-якої кількості нуклеотидів, що не ділиться на 3, в [[Рамка зчитування|рамці зчитування]], призведе до того, що наступні кодони будуть читатися по-іншому<ref>{{cite journal | authors = Ivanov IP, Atkins JF | title = Ribosomal frameshifting in decoding antizyme mRNAs from yeast and protists to humans: close to 300 cases reveal remarkable diversity despite underlying conservation | journal = Nucleic Acids Research | volume = 35 | issue = 6 | pages = 1842–1858 | year = 2007 | pmid = 17332016 | pmc = 1874602 | doi = 10.1093/nar/gkm035}}</ref>. Це фактично змінює рибосомальну рамку зчитування. Наприклад, наступне речення, коли читається з початку, має сенс для читача:

 

== Типи зсуву рамок зчитування ==

=== Запрограмований -1 рибосомальний зсув рамки зчитування ===

[[File:Tandem_slippage_model.jpg|thumb|Тандемне ковзання 2 тРНК на слизькій послідовності вірусу саркоми Рауса. Після зсуву рамки зчитування, нове спаровування основ є правильним для першого та другого нуклеотидів, але неправильним в зміщеному (воблівському) положені. E-, P- і A-сайт рибосоми показані. Розташування наростального поліпептидного ланцюга не вказано на зображенні, тому що поки немає єдиної думки щодо того, чи −1 ковзання відбувається до чи після того, як поліпептид переноситься з тРНК Р-сайту до тРНК A-сайту (в цьому випадку з аспарагіл-тРНК до лейцил-тРНК).<ref name=":6" />.]]

За -1 зсуву рамки зчитування, рибосома зісковзує на один нуклеотид назад і продовжує трансляцію в -1 рамці зчитування. Є, як правило, три елементи, що містять сигнал -1 зсуву рамки зчитування: слизька послідовність, спейсерна область та вторинна структура РНК. [[Слизька послідовність]] відповідає мотиву X_XXY_YYZ, де XXX є будь-якими трьома однаковими нуклеотидами (хоча трапляються деякі винятки), YYY це, як правило, УУУ або ААА, а Z - це [[Аденозин|А]], [[Цитидин|Ц]] або [[Уридин|У]]. Оскільки структура цього мотиву містить 2 прилеглих 3-нуклеотидні повтори, вважається, що -1 зсув рамки зчитування описується моделлю тандемного ковзання, за якого одночасно [[антикодон]] тРНК в рибосомальному Р-сайті переспаровується з XXY на XXX, а антикодон в А-сайті переспаровується з YYZ на YYY. Ці нові пари ідентичні парам 0-рамки зчитування, за винятком їхніх третіх позицій. Ця відмінність не має значного негативного впливу на зв'язування з антикодоном, тому що третій нуклеотид в кодоні, який перебуває в зміщеному (воблівському) положені, має слабшу специфічність зв'язування тРНК антикодону, ніж перший і другий нуклеотиди<ref name=":02" /><ref>{{cite journal | authors = Crick FH | title = Codon—anticodon pairing: the wobble hypothesis | journal = Journal of Molecular Biology | volume = 19 | issue = 2 | pages = 548–555 | date = August 1966 | pmid = 5969078 | doi = 10.1016/S0022-2836(66)80022-0}}</ref>. У цій моделі структура мотивів пояснюється тим, що антикодони в першому і другому положені повинні мати можливість ідеально спаровуватися як в 0, так і в -1 рамці зчитування. Таким чином, нуклеотиди 2 та 1 повинні бути ідентичними й нуклеотиди 3 та 2 також повинні бути ідентичними, що зумовлює необхідність у послідовності 3 однакових нуклеотидів для кожної тРНК, яка «ковзає»<ref name=":0">{{cite journal | authors = Brierley I | title = Ribosomal frameshifting viral RNAs | journal = The Journal of General Virology | volume = 76 ( Pt 8) | issue = 8 | pages = 1885–1892 | date = August 1995 | pmid = 7636469 | doi = 10.1099/0022-1317-76-8-1885}}</ref>.

=== +1 рибосомальний зсув рамки зчитування ===

«Слизька послідовність» сигналу +1 зсуву рамки зчитування не має однакового мотиву, і натомість, здається, здійснюється паузою рибосоми на послідовності, що кодує рідкісну амінокислоту<ref name=":5" />. Рибосоми не транслюють білки з постійною швидкістю, незалежно від послідовності. Деякі кодони транслюються довше, тому що немає достатньої кількості тРНК саме цього кодону в [[Гіалоплазма|цитозолі]]<ref>{{cite journal | authors = Gurvich OL, Baranov PV, Gesteland RF, Atkins JF | title = Expression levels influence ribosomal frameshifting at the tandem rare arginine codons AGG_AGG and AGA_AGA in Escherichia coli | journal = Journal of Bacteriology | volume = 187 | issue = 12 | pages = 4023–4032 | date = June 2005 | pmid = 15937165 | pmc = 1151738 | doi = 10.1128/JB.187.12.4023-4032.2005}}</ref>. Через це затримання, існують невеликі ділянки послідовностей кодонів, які контролюють швидкість рибосомального зсуву рамки зчитування. Зокрема, рибосома повинна зробити паузу, щоб дочекатися прибуття рідкісної тРНК, і це збільшує кінетичну сприятливість рибосоми та асоційованої тРНК до проковзування на нову рамку зчитування<ref name=":5"/> <ref>{{cite journal | authors = Caliskan N, Katunin VI, Belardinelli R, Peske F, Rodnina MV | title = Programmed −1 frameshifting by kinetic partitioning during impeded translocation | journal = Cell | volume = 157 | issue = 7 | pages = 1619–1631 | date = June 2014 | pmid = 24949973 | doi = 10.1016/j.cell.2014.04.041 }}</ref>. За цієї моделі, зміна рамки зчитування спричинена проковзуванням однієї тРНК, а не двох.

== Контролювальні механізми ==

Рибосомальний зсув рамки зчитування може контролюватися механізмами, знайденими в послідовності мРНК (цис-діючій). Зазвичай це стосується слизької послідовності, вторинної структури РНК або обох. Сигнал -1 рибосомального зсуву рамки зчитування складається з обох елементів, розділених спейсерною областю, як правило, довжиною 5–9 нуклеотидів<ref name=":02" />. Зсув рамки зчитування може також бути індукований іншими молекулами, які взаємодіють з рибосомою або мРНК (транс-діючими).

=== Сигнальні елементи рибосомального зсуву рамки зчитування ===

==== Слизька послідовність ====

Слизькі послідовності потенційно можуть спричинити «ковзання» зчитування рибосоми та пропускання ряду нуклеотидів (зазвичай лише 1) і зчитування зовсім іншої рамки після цього. За запрограмованого -1 рибосомального зсуву рамки зчитування, слизька послідовність відповідає мотиву X_XXY_YYZ, де XXX є будь-якими трьома однаковими нуклеотидами (хоча трапляються деякі винятки), YYY це, як правило, УУУ або ААА, а Z - це А, Ц або У. У випадку з +1 зсувом рамки зчитування, слизька послідовність містить кодони, для яких відповідна тРНК є рідкісною, і зсуву рамки зчитування сприяє те, що асоційована тРНК кодону нової рамки зчитування є поширенішою<ref name=":5" />. Одним із прикладів слизької послідовності є [[Поліаденілування|полі (А)]] послідовність мРНК, яка, як відомо, індукує «ковзання» рибосоми навіть за відсутності будь-яких інших елементів<ref>{{cite journal | authors = Arthur L, Pavlovic-Djuranovic S, Smith-Koutmou K, Green R, Szczesny P, Djuranovic S | title = Translational control by lysine-encoding A-rich sequences | journal = Science Advances | volume = 1 | issue = 6 | pages = e1500154 | date = July 2015 | pmid = 26322332 | pmc = 4552401 | doi = 10.1126/sciadv.1500154 | bibcode = 2015SciA....1E0154A}}</ref>.

Нижче наведено приклади передбачуваних вторинних структур для елементів зсувів рамки зчитування, показаних для стимулювання зсуву рамки зчитування у різних організмів. Більшість представлених структур — це шпильки, за винятком структури ALIL ({{lang-en|apical loop-internal loop}}) псевдовузла. На цих зображеннях більші та неповні кола мРНК представляють лінійні області. Вторинні «шпилькові» структури, де «стебла» утворені областю мРНК, основи якої спаровані з іншою областю того ж ланцюга, показані виступаючими з лінійної ДНК. Лінійна область [[Сигнал рибосомального зсуву рамки зчитування вірусу імунодефіциту людини|сигналу рибосомального зсуву рамки зчитування ВІЛ]] містить дуже консервативну UUU UUU слизьку послідовність; багато інших прогнозованих структур містять також кандидати в слизькі послідовності.

 

{| class="wikitable" style="margin-left:25px; margin-top:0px; text-align:center;"

!Умовне позначення<ref name="iupac">{{cite web|url=http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/misc/naseq.html|title=Nomenclature for Incompletely Specified Bases in Nucleic Acid Sequences|author=Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry (NC-IUB)|year=1984|access-date=2008-02-04}}</ref>