Рибосомы ищут старт-кодоны при двунаправленном сканировании, бросая вызов правилу первого AUG

Трансляция — процесс синтеза белка на основе информации с матричной РНК (mRNA) — жизненно важна для поддержания белкового гомеостаза клетки. Для синтеза функциональных белков и избежания токсичных продуктов трансляции критически важна точная идентификация правильного стартового кодона (AUG) малой субъединицей рибосомы.

В 1980-х годах Мэрилин Козак сформулировала знаменитое «правило первого AUG», которое утверждает, что в качестве основного стартового кодона предпочтительно используется самый верхний по течению (т.е. 5') триплет AUG. Вставка дополнительного триплета AUG выше по течению (uAUG) от аннотированного AUG (aAUG) может значительно снизить инициацию трансляции на aAUG.

На основе этих наблюдений была предложена «модель строго однонаправленного сканирования», которая стала общепринятой в учебниках по молекулярной биологии. Эта модель утверждает, что во время инициации эукариотической трансляции малая субъединица рибосомы сканирует исключительно в направлении 5′–3′; если происходит «проскальзывание», трансляция начнется со следующего AUG и так далее.

Исследователи под руководством профессора Цянь Вэньфэна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук бросили вызов правилу первого AUG и модели строго однонаправленного сканирования. Их данные показали, что малые субъединицы рибосомы используют колебания малой амплитуды (несколько оснований) в направлениях 5′–3′ и 3′–5′ с общим движением 5′–3′ для поиска кодона AUG. Следовательно, между близко расположенными кодонами AUG существует конкуренция за инициацию трансляции.

Экспериментальные доказательства

• Исследователи изначально заметили, что не только uAUG, но и проксимальные нижележащие кодоны AUG в другой рамке считывания (dAUG) могут ингибировать инициацию трансляции на aAUG.
• Для систематического изучения роли dAUG они создали библиотеку из 13 437 вариантов дрожжевых репортеров с двумя ATG. В каждом варианте триплет ATG был создан в случайной позиции в 30-нуклеотидном регионе ниже по течению от aATG репортерного гена зеленого флуоресцентного белка (GFP). Затем с помощью высокопроизводительного подхода был измерен соответствующий уровень GFP для каждого варианта.
• Результаты показали, что dAUG в другой рамке считывания действительно могут ингибировать инициацию трансляции на aAUG, но сила ингибирования ослабевает с увеличением расстояния между aAUG и dAUG и становится необнаружимой за пределами ~17 нт. Эти наблюдения указывают на то, что рибосомы часто сканируют в направлении 3′–5′, поскольку рибосомы, которые могли бы инициировать трансляцию на aAUG, по-видимому, «задерживаются» dAUG.
• В соответствии с предсказанием модели двунаправленного сканирования исследователи также обнаружили, что ингибирующий эффект uAUG зависит от позиции: интенсивность GFP возрастала с уменьшением расстояния uAUG–aAUG.

Моделирование и эволюционные следствия

• Исследователи смоделировали процесс сканирования, используя модифицированную модель случайных блужданий на основе массива данных об интенсивности GFP, полученных в высокопроизводительных экспериментах. Параметры движения модели были оценены с помощью алгоритма Марковских цепей Монте-Карло.
• Результаты моделирования показали, что каждый триплет в среднем сканируется рибосомой примерно десять раз, что приводит к общей скорости «проскальзывания» для триплета AUG в 8%, хотя средняя скорость проскальзывания за одно сканирование составляет 77%.
• Присутствие проксимального dATG в другой рамке считывания может приводить к снижению эффективности трансляции функциональных белков и увеличению синтеза потенциально цитотоксичных пептидов. Этот эффект, в свою очередь, должен влиять на эволюцию последовательностей ниже по течению от aATG.
• Исследователи обнаружили, что количество dATG в другой рамке считывания постепенно увеличивается с расстоянием от aATG в геномах дрожжей и человека. Это говорит о том, что процесс двунаправленного сканирования является общим механизмом, движущим эволюцию эукариотических геномов.