Wobble-Basenpaare für Inosin und Guanin

Ein Wobble-Basenpaar ist eine Paarung zweier Nukleotide in RNA- Molekülen, die nicht den Watson-Crick -Basenpaarungsregeln folgt . [ 1 ] Die vier wichtigsten Wobble-Basenpaare sind Guanin – Uracil ( G–U ), Hypoxanthin – Uracil ( I–U ), Hypoxanthin – Adenin ( I–A ) und Hypoxanthin – Cytosin ( I–C ). Um die Einheitlichkeit der Nukleinsäure-Nomenklatur zu gewährleisten, wird „I“ für Hypoxanthin verwendet, da Hypoxanthin die Nukleobase von Inosin ist ; [ 2 ] ansonsten folgt die Nomenklatur den Namen der Nukleobasen und ihrer entsprechenden Nukleoside (z. B. „G“ sowohl für Guanin als auch für Guanosin – sowie für Desoxyguanosin ). Die thermodynamische Stabilität eines Wobble-Basenpaares ist mit der eines Watson-Crick-Basenpaares vergleichbar. Wobble-Basenpaare sind grundlegend für die RNA- Sekundärstruktur und entscheidend für die korrekte Translation des genetischen Codes .

Kurze Geschichte

Im genetischen Code gibt es 4³ = 64 mögliche Codons (Sequenzen aus drei Nukleotiden ). Für die Translation benötigt jedes dieser Codons ein tRNA- Molekül mit einem Anticodon, zu dem es stabil komplementär ist. Wenn jedes tRNA-Molekül mit seinem komplementären mRNA-Codon mittels kanonischer Watson-Crick-Basenpaarung gepaart wird, wären 64 verschiedene tRNA-Moleküle erforderlich. Im Standard-Genetischen Code sind drei dieser 64 mRNA-Codons (UAA, UAG und UGA) Stoppcodons. Diese beenden die Translation durch Bindung an Freisetzungsfaktoren anstatt an tRNA-Moleküle, sodass die kanonische Paarung 61 verschiedene tRNA-Spezies erfordern würde. Da die meisten Organismen weniger als 45 verschiedene tRNA-Typen besitzen [ 3 ], können einige tRNA-Typen mit mehreren synonymen Codons paaren, die alle für dieselbe Aminosäure codieren. 1966 schlug Francis Crick die Wobble-Hypothese vor , um dieses Phänomen zu erklären. Er postulierte, dass die 5'- Base des Anticodons, die an die 3'- Base der mRNA bindet , räumlich weniger eingeschränkt ist als die beiden anderen Basen und daher nicht-standardmäßige Basenpaarungen aufweisen kann. [ 4 ] Crick gab ihr den treffenden Namen aufgrund der geringen Beweglichkeit oder des Wackelns an dieser dritten Codonposition. Diese Bewegung („Wackeln“) der Base an der 5'-Position des Anticodons ist notwendig für kleine Konformationsänderungen, die die Gesamtgeometrie der Basenpaarung der tRNA-Anticodons beeinflussen. [ 5 ] [ 6 ]

Beispielsweise besitzt die Hefe -tRNA<sup> Phe</sup> das Anticodon 5'-GmAA-3' und kann die Codons 5'-UUC-3' und 5'-UUU-3' erkennen. Daher ist es möglich, dass an der dritten Codonposition, d. h. zwischen dem 3'- Nukleotid des mRNA-Codons und dem 5'-Nukleotid des tRNA-Anticodons, eine Basenpaarung auftritt, die nicht dem Watson-Crick-Prinzip entspricht. [ 7 ]

Wobble-Hypothese

Diese Vorstellungen führten Francis Crick zur Entwicklung der Wobble-Hypothese, einer Reihe von vier Beziehungen, die diese natürlich auftretenden Eigenschaften erklären.

  1. Die ersten beiden Basen im Codon erzeugen die Codierungsspezifität, da sie starke Watson-Crick-Basenpaare bilden und eine starke Bindung mit dem Anticodon der tRNA eingehen.
  2. Beim Lesen in 5' - 3'-Richtung bestimmt das erste Nukleotid im Anticodon (das sich auf der tRNA befindet und mit dem letzten Nukleotid des Codons auf der mRNA paart), wie viele Nukleotide die tRNA tatsächlich unterscheiden kann. Ist das erste Nukleotid im Anticodon ein C oder ein A, ist die Paarung spezifisch und entspricht der ursprünglichen Watson-Crick-Paarung, d. h., nur ein bestimmtes Codon kann an diese tRNA binden. Ist das erste Nukleotid ein U oder G, ist die Paarung weniger spezifisch, und die tRNA kann tatsächlich zwei Basen austauschbar erkennen. Inosin zeigt die typischen Eigenschaften des Wobble-Effekts: Ist Inosin das erste Nukleotid im Anticodon, kann jede der drei Basen des ursprünglichen Codons an die tRNA binden.
  3. Aufgrund der Spezifität der ersten beiden Nukleotide des Codons ist, wenn eine Aminosäure durch mehrere Anticodons codiert wird und sich diese Anticodons entweder an der zweiten oder dritten Position (erste oder zweite Position im Codon) unterscheiden, dann wird für dieses Anticodon eine andere tRNA benötigt.
  4. Die Mindestanforderung, um alle möglichen Codons (61 ohne die drei Stoppcodons) abzudecken, beträgt 32 tRNAs. Das sind 31 tRNAs für die Aminosäuren und ein Startcodon. [ 8 ]

Basenpaarungsschemata

In tRNA

Regeln für Wobble-Paarungen. Watson-Crick-Basenpaare sind fett dargestellt . Klammern bezeichnen Bindungen, die zwar funktionieren, aber weniger bevorzugt sind. Ein vorangestelltes x kennzeichnet (allgemein) Derivate der folgenden Base.

tRNA 5'-AnticodonbasemRNA 3'-Codonbase (Crick) [ Anmerkung 1 ]mRNA 3'-Codonbase (Überarbeitet) [ 9 ]
AUU , C, G oder (A)
CGG
GC oder UC oder U
UA oder GA , G, U oder (C)
ICHA, C oder UA, C oder U
k 2 CA
x m 5 s 2 U , x m 5 Um , Um , x m 5 UA oder (G)
x o 5 UU, A oder G

Datenquellen für Basenpaarstärken

Biologische Bedeutung

Abgesehen von der Notwendigkeit der Wobble-Basenpaarung, da unsere Zellen nur über eine begrenzte Anzahl von tRNAs verfügen und die Wobble-Basenpaarung mehr Flexibilität ermöglicht, wurde gezeigt, dass Wobble-Basenpaare viele biologische Funktionen erleichtern, am deutlichsten demonstriert im Bakterium Escherichia coli , einem Modellorganismus . Tatsächlich gibt es in einer Studie der tRNA für Alanin in E. coli ein Wobble-Basenpaar, das darüber entscheidet, ob die tRNA aminoacyliert wird . Wenn eine tRNA auf eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase trifft , besteht die Aufgabe der Synthetase darin, die t-förmige RNA mit ihrer Aminosäure zu verknüpfen. Diese aminoacylierten tRNAs werden zur Translation eines mRNA-Transkripts verwendet und sind die grundlegenden Bausteine, die an das Codon der Aminosäure binden. [ 1 ] Die Notwendigkeit des Wobble-Basenpaars wird durch Experimente verdeutlicht, bei denen die Guanin-Uracil-Paarung in die natürliche Guanin-Cytosin-Paarung umgewandelt wird. Oligoribonukleotide wurden auf einem Gene Assembler Plus synthetisiert und anschließend über eine DNA-Sequenz verteilt, die bekanntermaßen für eine tRNA für Alanin codiert. Die Produkte dieser neuen tRNAs wurden mittels 2D-NMR-Spektroskopie untersucht und mit den Wobble-tRNAs verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit der Veränderung des Wobble-Basenpaares auch die Struktur ändert und keine α-Helix mehr gebildet werden kann. Die α-Helix ist die charakteristische Struktur der Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Daher verbindet die Synthetase die Aminosäure Alanin nicht mit der tRNA für Alanin. Diese Wobble-Basenpaarung ist für die Verwendung der Aminosäure Alanin in E. coli essenziell , und ihre Bedeutung hier deutet auf eine Bedeutung in vielen verwandten Spezies hin. [ 10 ] Weitere Informationen zur Aminoacyl-tRNA-Synthetase und zu den Genomen der E. coli -tRNA finden sich unter den externen Links „ Informationen zu Aminoacyl-tRNA-Synthetasen“ und „Genomische tRNA-Datenbank“ .

Siehe auch

Fußnoten

  1. Diese Zusammenhänge sowie vollständige Codons und Anticodons im korrekten Leseraster können weiter beobachtet werden unter: SBDR (15.04.2008). „Genetic Code and Amino Acid Translation“ . Society for Biomedical Diabetes Research . Archiviert vom Original am 04.11.2014 . Abgerufen am 14.09.2014 .Eine moderne Betrachtung der Paarungen findet sich unter doi:10.1093/nar/gkh185

Referenzen

  1. ^ a b Campbell N, Reece JB (2011). Biologie (9. Aufl.). Boston: Benjamin Cummings. S. 339–342].
  2. ^ Kuchin S (19. Mai 2011). „Alle Grundlagen der Genetik abdecken: Einfache Kurzbezeichnungen und Diagramme zum Unterrichten der Basenpaarung für Biologiestudierende“ . Journal of Microbiology & Biology Education . 12 (1): 64–66 . doi : 10.1128/jmbe.v12i1.267 . PMC 3577215. PMID 23653747. Die korrekte Bezeichnung der Base in Inosin (einem Nukleosid) ist Hypoxanthin . Aus Gründen der Konsistenz mit der Nomenklatur der Nukleinsäuren ist jedoch die Kurzbezeichnung [I] angemessener.  
  3. ^ Lowe T, Chan P (18. April 2011). „Genomic tRNA Database“ . University of California, Santa Cruz . Archiviert vom Original am 30. Mai 2015. Abgerufen am 31. Oktober 2015 .
  4. ^ Crick FH (August 1966). „Codon-Anticodon-Paarung: Die Wobble-Hypothese“. Journal of Molecular Biology . 19 (2): 548–555 . CiteSeerX 10.1.1.693.2333 . doi : 10.1016/S0022-2836(66)80022-0 . PMID 5969078 .  
  5. ^ Mathews CK, Van Holde K, Appling D, Anthony-Cahill S, Hrsg. (2012). Biochemie (4. Aufl.). Toronto: Prentice Hall. S. 1181. ISBN 978-0-13-800464-4Die
  6. ^ Voet D, Voet J (2011). Biochemie (4. Aufl.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. S.  1360–1361 . ISBN 978-0-470-57095-1Die
  7. ^ Varani G, McClain WH (Juli 2000). „Das G x U Wobble-Basenpaar. Ein fundamentaler Baustein der RNA-Struktur, der für die RNA-Funktion in verschiedenen biologischen Systemen entscheidend ist.“ EMBO Reports . 1 ( 1): 18–23 . doi : 10.1093/embo-reports/kvd001 . PMC 1083677. PMID 11256617 .  
  8. ^ Cox MM, Nelson DL (2013). „Proteinmetabolismus: Wobble ermöglicht einigen tRNAs die Erkennung mehrerer Codons“ . Lehninger Principles of Biochemistry (6. Aufl.). New York: WH Freeman. S.  1108–1110 . ISBN 978-0-7167-7108-1Abgerufen am 31. Oktober 2015 .
  9. ^ Murphy FV, Ramakrishnan V (Dezember 2004). „Struktur eines Purin-Purin-Wobble-Basenpaares im Decodierungszentrum des Ribosoms“. Nature Structural & Molecular Biology . 11 (12): 1251–1252 . doi : 10.1038/nsmb866 . PMID 15558050. S2CID 27022506 .  
  10. ^ Limmer S, Reif B, Ott G, Arnold L, Sprinzl M (April 1996). „NMR-Nachweis von Helixgeometrie-Modifikationen durch ein GU-Wobble-Basenpaar im Akzeptorarm der E. coli tRNA(Ala)“ . FEBS Letters . 385 ( 1–2 ): 15–20 . Bibcode : 1996FEBSL.385...15L . doi : 10.1016/0014-5793(96)00339-0 . PMID 8641457 .