翻譯中迷失：“危險(xiǎn)的”氨基酸如何中止蛋白質(zhì)合成的延伸

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-01-09 09:53:00【大中小】

摘要：東京工業(yè)大學(xué)和兵庫大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)合成翻譯過程中的一個關(guān)鍵步驟，會被真核細(xì)胞中含有大量N端天冬氨酸和谷氨酸殘基的氨基酸序列破壞。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，這些“危險(xiǎn)的”氨基酸可以破壞核糖體機(jī)制的穩(wěn)定。因此，大多數(shù)蛋白質(zhì)組傾向于避免在肽序列的N端合并它們，這表明氨基酸分布存在偏差。

生命依賴于核糖體在細(xì)胞中合成的幾種蛋白質(zhì)的精確功能。這種多樣的蛋白質(zhì)組被稱為蛋白質(zhì)組，由核糖體中發(fā)生的氨基酸序列的穩(wěn)健翻譯延伸維持。在所有生物體中，確保多肽的新生鏈(氨基酸的長鏈)被拉長而不被分離的翻譯機(jī)制是保守的。然而，伸長率不是恒定的。帶正電的新生多肽和帶負(fù)電的核糖體RNA之間的相互作用通常會中斷延伸。

研究發(fā)現(xiàn)，在原核生物細(xì)胞中，新生的肽鏈不僅破壞了延伸過程，而且破壞了核糖體本身的穩(wěn)定。這種類型的轉(zhuǎn)換被稱為過早終止內(nèi)在核糖體失穩(wěn)(IRD)．有證據(jù)表明，IRD主要由n末端富含天冬氨酸和谷氨酸序列的新生多肽觸發(fā)。由于翻譯機(jī)制是保守的，研究人員開始懷疑是否在真核生物(如植物、真菌和動物)的細(xì)胞中也能看到類似的現(xiàn)象。

圖1 過早翻譯終止對真核細(xì)胞蛋白質(zhì)組的影響（圖源：東京工業(yè)大學(xué)）

最近，由東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)田口秀樹教授(Hideki Taguchi)領(lǐng)導(dǎo)的日本研究團(tuán)隊(duì)成功地為這個問題提供了一些答案。在他們最近發(fā)表在《自然通訊》上的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用出芽酵母細(xì)胞和重建的細(xì)胞游離翻譯系統(tǒng)來研究真核生物中的IRD現(xiàn)象。“以前的研究已經(jīng)探索了天冬氨酸和谷氨酸序列對細(xì)菌核糖體翻譯的影響。然而，關(guān)于真核細(xì)胞的研究并不多。因此，我們選擇了像酵母這樣的真核生物來研究翻譯的過早終止，以及是否存在任何對抗IRD的機(jī)制，”該研究的通訊作者之一田口教授解釋說。

研究發(fā)現(xiàn)在原核生物細(xì)胞中，新生的肽鏈破壞了核糖體的穩(wěn)定。

圖2 研究發(fā)現(xiàn)，在原核生物細(xì)胞中，新生的肽鏈不僅破壞了延伸過程，而且破壞了核糖體本身的穩(wěn)定。

研究小組發(fā)現(xiàn)，與細(xì)菌類似，在酵母細(xì)胞的n端區(qū)域富集天冬氨酸(D)或谷氨酸(E)的新生肽鏈導(dǎo)致IRD在酵母細(xì)胞中的翻譯流產(chǎn)。他們還發(fā)現(xiàn)，肽基- trna的積累抑制了缺乏肽基- trna水解酶的酵母的細(xì)胞生長，肽基- trna水解酶是一種必需的細(xì)胞酶。IRD產(chǎn)生的肽基- trna被肽基- trna水解酶裂解，該酶在核糖體復(fù)合物外回收肽基- trna。這些流產(chǎn)肽基trnas的積累是有毒的，因?yàn)槿狈@種酶的酵母在ird傾向的序列過表達(dá)時不能生長，”田口教授說。

然而，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的生物信息學(xué)分析揭示了酵母細(xì)胞降低IRD風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)特方式。他們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)組具有偏倚的氨基酸分布，其中翻譯延伸過程不利于在其n端區(qū)域運(yùn)行D/E的氨基酸序列。

圖3 N末端區(qū)域中連續(xù)帶負(fù)電荷的氨基酸過早終止翻譯（圖源：[1]）

這項(xiàng)研究為真核細(xì)胞的延伸動力學(xué)和減少蛋白質(zhì)合成過程中翻譯缺陷的抵消機(jī)制提供了新的見解。“了解影響蛋白質(zhì)組中氨基酸整體使用的因素可以幫助我們提高重組蛋白的表達(dá)。這對于生產(chǎn)具有臨床和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的有用蛋白質(zhì)至關(guān)重要，”田口教授總結(jié)道。

參考資料：

[1] Nascent peptide-induced translation discontinuation in eukaryotes impacts biased amino acid usage in proteomes