Пуриновый рибопереключатель - Purine riboswitch

Пуриновый рибопереключатель
RF00167-rscape.svg
Идентификаторы
СимволПурин
РфамRF00167
Прочие данные
РНК типСнг; рибопереключатель
Домен (ы)Бактерии
ТАКТАК: 0000035
PDB структурыPDBe

А пуриновый рибопереключатель это последовательность рибонуклеотиды в определенных информационная РНК (мРНК), которая избирательно связывается с пурин лиганды через естественный аптамер домен.[1] Это связывание вызывает конформационное изменение мРНК, которое может повлиять на перевод путем выявления платформы экспрессии для нижележащего гена или путем формирования завершающего трансляцию стебель-петля.[2][3][4] Конечные эффекты таких переводной регуляция часто принимает меры, чтобы управлять изобилием пуринов-возбудителей, и может производить белки, которые способствуют развитию пурина метаболизм или поглощение пурина мембраной.[5]

Связующие свойства

Пуриновые рибопереключатели связываются со своими пуриновыми лигандами посредством взаимодействий в трехстороннем соединении, образованном соединительной спиралью P1 и шпильками P2 и P3.[3] Ассоциации, которые создает пурин, когда он находится внутри этого карман для переплета стабилизируют трехстороннее соединение и поддерживают лиганд-связанную конформацию молекулы мРНК.[6] Пуриновый рибопереключатель может стать насыщенным при таких низких концентрациях, как 5 нМ, что отражает необходимость быстрой и динамической реакции экспрессии генов на изменения концентрации пуринов.[7]

Несмотря на относительное сходство пурин-связывающего аптамерного домена у разных пуриновых рибопереключателей, один связывающий карман все же может различать один тип пуринового лиганда с высокой селективностью.[7] Критичным для этой чувствительности является единственное различие в вторичная структура рибонуклеотидов: в положении 74 аптамерного домена было обнаружено, что превращение цитозин к урацил изменяет аптамер из гуанин чувствительный к тому, чтобы быть аденин чувствительны, и наоборот.[7] Такое преобразование связано со способностью нуклеотида в положении 74 к Базовая пара Уотсона-Крика с лигандом в связывающем кармане и соответствующей способностью цитозина и урацила предпочтительно связываться водородом с гуанином или аденином.[7]

Влияние положения 74 на определение чувствительности лиганда

Аденин Рибосвитч

Трехмерное изображение рибопереключателя аденина.[7]

Аденин рибосвитч выборочно распознает аденин, и содержит урацил рибонуклеотид в положении 74 аденин-связывающего аптамерного домена. Некоторые из наиболее часто исследуемых экземпляров этого рибопереключателя подробно описаны ниже.

Добавить

В Добавить ген кодирует аденозиндезаминаза, а адениновый рибопереключатель, расположенный выше по течению, обнажает стартовый кодон и Последовательность Шайна-Далгарно когда аденин присутствует в связывающем кармане.[6] Такое поведение способствует трансляции аденозиндезаминазы, и, таким образом, Добавить аденозиновый рибопереключатель способствует метаболическому негативный отзыв механизм, регулирующий количество аденина, присутствующего в системе.

Несвязанные и связанные конформации рибопереключателя аденина

Лиганд-связывающие конформационные изменения

В Добавить Рибопереключатель аденина показал три различных стабильных конформации в присутствии аденина.[6] В несвязанной с аденином последовательность мРНК преобразуется между двумя разными нетранслируемыми конформациями, одна из которых способна принимать аденин в связывающий карман и соответствовать форме связанной с аденином мРНК.[6] Этот трехэтапный механизм весьма отличается от стандартного двухэтапного объяснения действия рибопереключателя, которое предполагает одно состояние, связанное с лигандом, и одно состояние, не связанное с лигандом. Эта механистическая уникальность Добавить рибопереключатель аденина может быть полезным для таких организмов, как Vibrio vulnificus, чья разнообразная среда обитания требует особенно тонкой метаболической чувствительности к широкому спектру условий окружающей среды.

На рисунке справа показан рисунок с заполнением пробелом несвязанного состояния (слева из файла PDB 5e54) и состояния с привязкой аденина (справа из файла PDB 5swe). Часть, окрашенная в розовый цвет, образует полную спираль РНК А-формы в связанной форме, а желтая часть меняет положение.

Магний и температурная зависимость

При более высоких температурах конверсия между различными конформациями несвязанного Добавить Рибопереключатель аденина отдает предпочтение форме, способной принимать аденин в свой связывающий карман.[6] Более высокие температуры также способствуют превращению этого несвязанного рибопереключателя в конформацию, связанную с аденином и подверженную стартовой последовательности.[6] Концентрация Магний ion влияет только на последнее из этих изменений конформации и способствует связыванию аденина с рибопереключателем.[6] Комбинация этих эффектов способствует более контролируемому переводу Добавить ген при более низких температурах: взятие части несвязанного рибопереключателя и прекращение его способности связывать аденин увеличивает чувствительность оставшейся части к магнию.[6]

pbuE

В pbuE ген кодирует пуриновое основание откачивающий насос. Связывание аденина с pbuE рибопереключатель аденина нарушает структуру стержень терминатора это блокировало доступ к платформе экспрессии генов.[3] Таким образом, избыток аденина может спровоцировать процесс оттока аденина из клетки.

Лиганд-связывающие конформационные изменения

в отличие от Добавить рибопереключатель аденина, pbuE рибопереключатель аденина существует в одной из двух стабильных конформаций. Связывание аденина вызывает образование антитерминатора, что позволяет транскрипции завершиться до конца.[3] В отсутствие аденина аптамерный домен рибопереключателя вместо этого ассоциируется с платформой экспрессии рибопереключателя, что приводит к терминации транскрипции.[3]

Гуанин Рибосвич

Трехмерное изображение гуанинового рибопереключателя.[3]

Гуанинский рибосвитч выборочно распознает гуанин, и содержит цитозин рибонуклеотид в положении 74 гуанин-связывающего аптамерного домена. Один из наиболее часто исследуемых примеров этого рибопереключателя подробно описан ниже.

xpt

В xpt ген кодирует конкретный ксантинфосфорибозилтрансфераза белок, который участвует в метаболизме пуринов. в отличие от Добавить ген или pbuE ген, связывание лиганда с xpt рибопереключатель гуанина служит выключателем для трансляции.[8] В xpt аптамер рибопереключателя гуанина стабилизируется гуанином таким образом, что позволяет рибопереключателю более легко связывать магний, что вызывает сворачивание мРНК таким образом, что xpt ген перестает транслироваться.[9]

Практическая полезность

Как и другие рибопереключатели, пуриновые рибопереключатели находятся в пять основных непереведенных регионов (5 'UTR) прокариотической мРНК.[5] Поскольку функция этой области важна для метаболизма бактерий, пуриновые рибопереключатели представляют собой потенциально полезную мишень для лекарств.[10] Более того, пуриновый рибопереключатель на сегодняшний день является единственным рибопереключателем, который подвергся мутации для ответа на неприродные лиганды, что открывает возможности для использования рибопереключателей в качестве новых инструментов экспрессии генов.[11]

Рекомендации

  1. ^ Мандал, М; Boese B; Barrick JE; Winkler WC; Разрушитель RR (2003). «Рибопереключатели контролируют основные биохимические пути в Bacillus subtilis и других бактериях». Клетка. 113 (5): 577–586. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00391-X. PMID  12787499.
  2. ^ Мандал, М; Брейкер RR (2004). «Адениновые рибопереключатели и активация генов путем нарушения терминатора транскрипции». Нат Структ Мол Биол. 11 (1): 29–35. Дои:10.1038 / nsmb710. PMID  14718920.
  3. ^ а б c d е ж Thirumalai, D; Лин Дж (2008). «Относительная стабильность спиралей определяет складывающийся ландшафт адениновых аптамеров с рибосвитчем». Журнал Американского химического общества. 130 (43): 14080–14081. Дои:10.1021 / ja8063638.
  4. ^ Батей, RT; Гилберт С.Д .; Монтанж РК (2004). «Структура природного гуанин-чувствительного рибопереключателя в комплексе с метаболитом гипоксантина». Природа. 432 (7015): 411–415. Дои:10.1038 / природа03037. PMID  15549109.
  5. ^ а б Сенгупта, S; Сингх, П. (2012). «Филогенетический анализ и сравнительная геномика распространения пуриновых рибопереключателей у прокариот». Эволюционная биоинформатика. 8: 589–609. Дои:10.4137 / EBO.S10048. ЧВК  3499989. PMID  23170063.
  6. ^ а б c d е ж грамм час Рейнинг, Анке; Нозинович, Сенада; Шлепков, Кай; Бур, Флориан; Фюртиг, Борис; Швальбе, Харальд (2013). "Трехсторонний механизм пары лиганд и температурное зондирование в рибопереключателях". Природа. 499 (7458): 355–360. Дои:10.1038 / природа12378. PMID  23842498.
  7. ^ а б c d е Серганов А., Юань Ю.Р., Пиковская О., Полонская А., Малинина Л., Фан А.Т., Хобартнер С., Микура Р., Брейкер Р.Р., Патель Д.Д. (2004). «Структурная основа для различительной регуляции экспрессии генов аденин- и гуанин-чувствительными мРНК». Chem Biol. 11 (12): 1729–1741. Дои:10.1016 / j.chembiol.2004.11.018. ЧВК  4692365. PMID  15610857.
  8. ^ Schwalbe, H; Wacker A; Бак Дж; Рихтер С; Wohnert J (2011). "Структура и динамика рибопереключателя, чувствительного к дезоксигуанозину, изучены методом ЯМР-спектроскопии". Исследования нуклеиновых кислот. 39 (15): 6802–6812. Дои:10.1093 / nar / gkr238. ЧВК  3159443. PMID  21576236.
  9. ^ Сильверман, S; Бреннер MD; Scanlan MS; ахас МК; Ха Т (2010). «Мультивекторный флуоресцентный анализ xpt Домен аптамера гуанинового рибозвитча и конформационная роль гуанина ». Биохимия. 49 (8): 1596–1605. Дои:10.1021 / bi9019912. ЧВК  2854158. PMID  20108980.
  10. ^ Сильверман, Ричард (2004). Органическая химия дизайна лекарств и акиона лекарств. Elsevier Academic Press. ISBN  978-0-12-643732-4.
  11. ^ Диксон Н., Дункан, Дж. Н. и др. (Январь 2010 г.). «Реинжиниринг ортогонально селективных рибопереключателей» (PDF). PNAS. 107 (7): 2830–2835. Дои:10.1073 / pnas.0911209107. ЧВК  2840279. PMID  20133756.

внешняя ссылка