Eine Ribosomenbindungsstelle ( RBS ) ist eine Nukleotidsequenz stromaufwärts des Startcodons einer mRNA , die für die Rekrutierung eines Ribosoms zu Beginn der Translation verantwortlich ist . RBS bezieht sich meist auf bakterielle Sequenzen, obwohl auch interne Ribosomen-Eintrittsstellen (IRES) in mRNAs eukaryotischer Zellen oder eukaryotischer Viren beschrieben wurden . Die Ribosomenrekrutierung in Eukaryoten wird im Allgemeinen durch die 5'-Cap- Struktur der eukaryotischen mRNA vermittelt .

Prokaryoten

Die Ribosomenbindungsstelle (RBS) in Prokaryoten ist eine Region stromaufwärts des Startcodons. Diese Region der mRNA besitzt die Konsensussequenz 5'-AGGAGG-3', auch Shine-Dalgarno -Sequenz (SD) genannt. [ 1 ] Die komplementäre Sequenz (CCUCCU), die sogenannte Anti-Shine-Dalgarno-Sequenz (ASD), befindet sich am 3'-Ende der 16S-Region der kleineren (30S-)Ribosomenuntereinheit. Beim Auftreffen auf die Shine-Dalgarno-Sequenz paart sich die ASD des Ribosoms mit dieser, woraufhin die Translation initiiert wird. [ 2 ] [ 3 ]

Varianten der 5'-AGGAGG-3'-Sequenz wurden in Archaeen als hochkonservierte 5'-GGTG-3'-Regionen gefunden, die fünf Basenpaare stromaufwärts des Startpunkts liegen. Darüber hinaus fehlen einigen bakteriellen Initiationsregionen, wie z. B. rpsA in E. coli, vollständig identifizierbare SD-Sequenzen. [ 4 ] Beispiele für Nicht-SD-RBSs, deren Nachweis anhand gängiger und neuer Muster sowie deren taxonomische Verteilung finden sich beispielsweise in den zitierten Artikeln zur Genvorhersage . [ 5 ]

Auswirkung auf die Translationsinitiierungsrate

Prokaryotische Ribosomen beginnen mit der Translation der mRNA, während die DNA noch transkribiert wird. Translation und Transkription verlaufen daher parallel. Bakterielle mRNA ist üblicherweise polycistronisch und enthält mehrere Ribosomenbindungsstellen. Die Translationsinitiation ist der am stärksten regulierte Schritt der Proteinbiosynthese in Prokaryoten. [ 6 ]

Die Übersetzungsgeschwindigkeit hängt von zwei Faktoren ab:

  • die Rate, mit der ein Ribosom an die Ribosomenbindungsstelle rekrutiert wird
  • Die Rate, mit der ein rekrutiertes Ribosom die Translation einleiten kann (d. h. die Translationsinitiationseffizienz).

Die RBS-Sequenz beeinflusst beide Faktoren.

Faktoren, die die Ribosomenrekrutierungsrate beeinflussen

Das ribosomale Protein S1 bindet an Adeninsequenzen stromaufwärts der Ribosomenbindungsstelle (RBS). Eine Erhöhung der Adeninkonzentration stromaufwärts der RBS steigert die Ribosomenrekrutierungsrate. [ 6 ]

Faktoren, die die Effizienz der Translationsinitiierung beeinflussen

Der Grad der Komplementarität der mRNA-SD-Sequenz zur ribosomalen ASD beeinflusst die Effizienz der Translationsinitiation maßgeblich. Eine höhere Komplementarität führt zu einer höheren Initiationseffizienz. [ 7 ] Dies gilt jedoch nur bis zu einem gewissen Grad – eine zu hohe Komplementarität kann paradoxerweise die Translationsrate verringern, da das Ribosom dann zu stark gebunden ist, um die Translation fortzusetzen. [ 7 ]

Der optimale Abstand zwischen der Ribosomenbindungsstelle (RBS) und dem Startcodon ist variabel – er hängt vom Anteil der SD-Sequenz ab, der in der tatsächlichen RBS kodiert ist, und von dessen Abstand zum Startpunkt einer Konsensus-SD-Sequenz. Ein optimaler Abstand erhöht die Translationsinitiationsrate nach Ribosomenbindung. [ 7 ] In einer Studie wurde außerdem festgestellt, dass die Nukleotidzusammensetzung der Spacer-Region selbst die Translationsinitiationsrate beeinflusst. [ 8 ]

Hitzeschockproteine

Sekundärstrukturen, die von der Ribosomenbindungsstelle (RBS) gebildet werden, können die Translationseffizienz der mRNA beeinflussen und hemmen im Allgemeinen die Translation. Diese Sekundärstrukturen entstehen durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den mRNA-Basenpaaren und sind temperaturempfindlich. Bei einer überdurchschnittlich hohen Temperatur (~42 °C) wird die Sekundärstruktur der RBS von Hitzeschockproteinen aufgelöst, wodurch Ribosomen binden und die Translation initiieren können. Dieser Mechanismus ermöglicht es einer Zelle, schnell auf einen Temperaturanstieg zu reagieren. [ 6 ]

Eukaryoten

5' Kappe

Die Ribosomenrekrutierung in Eukaryoten erfolgt, wenn die eukaryotischen Initiationsfaktoren eIF4F und das Poly(A)-bindende Protein (PABP) die 5'-cap-modifizierte mRNA erkennen und den 43S-Ribosomenkomplex an diese Stelle rekrutieren. [ 9 ]

Die Translation beginnt nach der Rekrutierung des Ribosoms am Startcodon (unterstrichen) innerhalb der Kozak-Konsekutivsequenz ACC AUG G. Da die Kozak-Sequenz selbst nicht an der Ribosomenrekrutierung beteiligt ist, gilt sie nicht als Ribosomenbindungsstelle. [ 2 ] [ 9 ]

Interne Ribosomen-Eintrittsstelle (IRES)

Es ist bekannt, dass eukaryotische Ribosomen an Transkripte über einen Mechanismus binden, der sich von demjenigen mit 5'-Cap unterscheidet, und zwar an einer Sequenz, die als interne Ribosomen-Eintrittsstelle (IRES) bezeichnet wird . Dieser Prozess ist nicht von allen Translationsinitiationsfaktoren abhängig (obwohl er von der spezifischen IRES abhängt) und tritt häufig bei der Translation viraler mRNA auf. [ 10 ]

Genannotation

Die Identifizierung von Ribosomenbindungsstellen (RBS) dient der Bestimmung des Translationsstartpunkts in einer nicht annotierten Sequenz. Dies wird als N-terminale Vorhersage bezeichnet. Sie ist besonders nützlich, wenn sich mehrere Startcodons in der Nähe des potenziellen Startpunkts der proteincodierenden Sequenz befinden. [ 11 ] [ 12 ]

Die Identifizierung von RBSs ist besonders schwierig, da diese häufig stark degeneriert sind. [ 13 ] Ein Ansatz zur Identifizierung von RBS in E. coli ist die Verwendung neuronaler Netze . [ 14 ] Ein anderer Ansatz ist die Gibbs-Sampling- Methode. [ 11 ]

Geschichte

Die Shine-Dalgarno-Sequenz der prokaryotischen Ribosomenbindungsstelle (RBS) wurde 1975 von John Shine und Lynn Dalgarno entdeckt. [ 1 ] [ 15 ] Die Kozak-Konsekutivsequenz wurde erstmals 1984 von Marilyn Kozak identifiziert [ 16 ] , als sie am Fachbereich Biowissenschaften der Universität Pittsburgh tätig war . [ 17 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ a b Shine, J. ; Dalgarno, L. (1975-03-06). „Determinant of cistron specificity in bacterial ribosomes“. Nature . 254 (5495): 34– 38. Bibcode : 1975Natur.254...34S . doi : 10.1038/254034a0 . PMID  803646 . S2CID  4162567 .
  2. ^ a b „Anforderungen an die Sequenz der ribosomalen Bindungsstelle“ . www.thermofisher.com . Abgerufen am 16.10.2015 .
  3. ^ "Hilfe:Ribosomen-Bindungsstelle - parts.igem.org" . parts.igem.org . Abgerufen am 16.10.2015 .
  4. Omotajo , Damilola; Tate, Travis; Cho, Hyuk; Choudhary, Madhusudan (14.08.2015). „Verteilung und Diversität von Ribosomenbindungsstellen in prokaryotischen Genomen“ . BMC Genomics . 16 (1): 604. doi : 10.1186/s12864-015-1808-6 . ISSN 1471-2164 . PMC 4535381. PMID 26268350 .   
  5. ^
    • Lomsadze A, Gemayel K, Tang S, Borodovsky M

      Die Modellierung von leaderloser Transkription und atypischen Genen führt zu genaueren Genvorhersagen bei Prokaryoten.

      Genome Res, 2018, 29(7), S. 1079-1089
    • Hyatt, D., Chen, GL., LoCascio, PF et al. Prodigal: prokaryotische Generkennung und Identifizierung von Translationsinitiationsstellen. BMC Bioinformatics 11, 119 (2010).
  6. ^ a b c Laursen, Brian Søgaard; Sørensen, Hans Peter; Mortensen, Kim Kusk; Sperling-Petersen, Hans Uffe (01.03.2005). „Initiierung der Proteinsynthese in Bakterien“ . Rezensionen zu Mikrobiologie und Molekularbiologie . 69 (1): 101–123 . doi : 10.1128/MMBR.69.1.101-123.2005 . ISSN 1092-2172 . PMC 1082788 . PMID 15755955 .   
  7. ^ a b c De Boer, Herman A.; Hui, Anna S. (1990-01-01). „[9] Sequenzen innerhalb der Ribosomenbindungsstelle, die die Translation von mRNA beeinflussen, und Methode zur gezielten Bindung von Ribosomen an einzelne mRNA-Spezies“. In: Enzymology, BT - Methods in (Hrsg.). Gene Expression Technology . Methods in Enzymology. Band 185. Academic Press. S.  103–114 . doi : 10.1016/0076-6879(90)85011-C . ISBN 9780121820862PMID  2199771 .​
  8. Stormo , Gary D.; Schneider, Thomas D.; Gold, Larry M. (11.05.1982). „Charakterisierung von Translationsinitiationsstellen in E. coli“ . Nucleic Acids Research . 10 (9): 2971–2996 . doi : 10.1093/nar/ 10.9.2971 . ISSN 0305-1048 . PMC 320669. PMID 7048258 .   
  9. ^ a b Hellen, Christopher UT; Sarnow, Peter (2001-07-01). „Interne Ribosomen-Eintrittsstellen in eukaryotischen mRNA-Molekülen“ . Genes & Development . 15 (13): 1593–1612 . doi : 10.1101/gad.891101 . ISSN 0890-9369 . PMID 11445534 .  
  10. ^ Pisarev, Andrey V.; Shirokikh, Nikolay E.; Hellen, Christopher UT (2005). „Translation initiation by factor-independent binding of eukaryotic ribosomes to internal ribosomal entry sites“ . Comptes Rendus Biologies . 328 (7): 589–605 . doi : 10.1016/j.crvi.2005.02.004 . PMID 15992743 . 
  11. ^ a b Hayes, William S.; Borodovsky, Mark (1998). „Ableitung statistischer Modelle für ribosomale Bindungsstellen (RBS) aus nicht annotierten DNA-Sequenzen und die Verwendung des RBS-Modells zur N-terminalen Vorhersage“ (PDF) . Pacific Symposium on Biocomputing . 3 : 279–290 . Archiviert vom Original (PDF) am 8. Dezember 2015. Abgerufen am 4. Dezember 2015 .
  12. ^ Noguchi, Hideki; Taniguchi, Takeaki; Itoh, Takehiko (01.12.2008). „MetaGeneAnnotator: Erkennung spezies-spezifischer Muster von Ribosomenbindungsstellen zur präzisen Genvorhersage in anonymen prokaryotischen und Phagengenomen“ . DNA Research . 15 (6): 387–396 . doi : 10.1093/dnares/dsn027 . ISSN 1340-2838 . PMC 2608843. PMID 18940874 .   
  13. ^ Oliveira, Márcio Ferreira da Silva; Mendes, Daniele Quintella; Ferrari, Luciana Itida; Vasconcelos, Ana Tereza Ribeiro (2004). „Erkennung von Ribosomenbindungsstellen mithilfe neuronaler Netze“ . Genetik und Molekularbiologie . 27 (4): 644–650 . doi : 10.1590/S1415-47572004000400028 . ISSN 1415-4757 . 
  14. ^ Stormo, Gary D. (2000-01-01). „DNA-Bindungsstellen: Repräsentation und Entdeckung“. Bioinformatics . 16 (1): 16–23 . doi : 10.1093/bioinformatics/16.1.16 . ISSN 1367-4803 . PMID 10812473 .  
  15. ^ „Prof. John Shine – Garvan Institute of Medical Research“ . www.garvan.org.au . Archiviert vom Original am 27.08.2016 . Abgerufen am 10.11.2015 .
  16. ^ Kozak, Marilyn (25.01.1984). „Zusammenstellung und Analyse von Sequenzen stromaufwärts des Translationsstartpunkts in eukaryotischen mRNAs“ . Nucleic Acids Research . 12 (2): 857–872 . doi : 10.1093 / nar/12.2.857 . ISSN 0305-1048 . PMC 318541. PMID 6694911 .   
  17. ^ „Forschung: Die 10 bedeutendsten Wissenschaftlerinnen der 80er Jahre: Sie haben etwas bewegt | The Scientist Magazine®“ . The Scientist . Abgerufen am 10.11.2015 .