CC BY
28
УДК 577.113.5 + 577.21
Калачнюк Л.Г., д.б.н., професор © E-mail: lilkalachnyuk@gmail.com
Нацюнальний утеерситет 6iopecypcie i природокористування Украгни,
м.Киге, Украгна
РЕГУЛЯЦ1Я ТРАНСЛЯЦ1ЙНИХ ПРОЦЕС1В РНК-ЗВ'ЯЗУЮЧИМИ ПРОТЕ1НАМИ У М1КРООРГАН1ЗМ1В
Регулящя трансляцтних i транс-трансляцтних процеЫе у мiкрooрганiзмie, о^м матричною i транспортноматричною РНК (тмРНК), здшснюеться за допомогою еисокомолекулярного комплексу протегте, що зе 'язуються з рибонуклегноеими кислотами. Складоеими компонентами такого комплексу е: RsgA, PrsA, VacB, SAF, S1 i SmpB, кожний з яких eiдпoeiдальний за той чи тший бт яюсного контролю за транслящею i транс-транслящею. Виечали регулюючу роль е транс-трансляцп RsgA, який бере участь у шеидкоплинних процесах дисощацп рибосомних субодиниць через зе 'язуеання його ГТФ-форми iз 30S субодиницею (що потребуе енергетичного потенщалу, еиеыьненого за його дп ена^док гiдрoлiзy ГТФ) та гх асощацп через eiд 'еднання ГДФ-форми даного протегну eiд малог субодинищ. Обгоеорюеться роль PrsA VacB, SAF, S1 i SmpB у регуляцИ трансляцИ i транс-трансляцп, а саме: участь PrsA у ceoерiднiй репарацп ушкоджених дыянок мРНК, деградацт VacB-протегном непоеног або ушкодженог мРНК, яку замтюе тмРНК тд час транс-трансляцп, формыюеання формы-трансферазним доменом SAF а-амтогрупи алатл-тмРНК при додаеанш першог амтокислоти tag-пептиду до амтокислотног пocлiдoeнocтi "дефектного" протегну, стабтзацп простороеог структури тмРНК через гг зе'язуеання з S1 та мoжлиei перспектиеи корекцп функцюнуеання мiкрooрганiзмie.
Ключовi слова: тмРНК, RsgA, PrsA, VacB, SAF, S1, SmpB, транслящя, транс-транслящя, рибосома, Escherichia coli.
УДК 577.113.5 + 577.21
Калачнюк Л.Г., д.б.н., профессор Национальный униеерситет биоресурсое и природопользоеания Украины,
Киее, Украина
РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ РНК-
СВЯЗЫВАЮЩИМИ ПРОТЕИНАМИ В МИКРООРГАНИЗМАХ
Регуляция трансляционных и транс-трансляционных процессое е микроорганизмах, кроме матричной РНК и транспортноматричной РНК (тмРНК), осущестеляется с помощью еысокомолекулярного комплекса протеиное, которые сеязыеаются с рибонуклеиноеыми кислотами. Состаеными компонентами такого комплекса яеляются: RsgA, PrsA VacB, SAF, S1 и SmpB и каждый из них отеетстеенный за ту или иную сторону качестеенного контроля трансляции и транс-трансляции. Изучали
© Калачнюк Л.Г., 2014
122
регулирующею роль в транс-трансляции RsgA, который принимает участие в протекающих мгновенно процессах диссоциации рибосомальных субъединиц посредством связывания его ГТФ-формы с 30S субъединицей (что требует энергетического потенциала, освобожденного вследствие гидролиза ГТФ за действия RsgA) и их ассоциации в результате отсоединения ГДФ-формы данного белка от малой субъединицы. Обсуждается участие PrsA VacB, SAF, S1 и SmpB в регуляции трансляции и транс-трансляции, а именно: участие PrsA в своеобразной репарации порежденных участков мРНК, деградация VacB-протеином неполной или поврежденной мРНК, которую заменяет тмРНК во время транс-трансляции, формилирование формилтрансферазным доменом SAF а-аминогруппы аланил-тмРНК при добавлении первой аминокислоты tag-пептида к аминокислотной последовательности "дефектного" протеина, стабилизации просторанственной структуры тмРНК через ее связывание с S1 и возможные перспективы корекции функционирования микроорганизмов.
Ключевые слова: тмРНК, RsgA, RsgA, PrsA, VacB, SAF, S1, SmpB, трансляция, транс-трансляция, рибосома, Escherichia coli.
UDC 577.113.5 + 577.21
Kalachnyuk L.G. D.Biol.Sci, Professor, lilkalachnyuk@gmail.com National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Heroiv Oborony
str.,15; Kyiv, 03041, Ukraine
REGULATION OF TRANSLATIONAL PROCESSES BY RNA-BINDING PROTEINS IN MICROORGANISMS
In microorganisms, besides translational and trans-translational regulators -mRNA and transfer-messenger RNA (tmRNA), regulation of processes of translation and trans-translation is carried out by the high molecular complex of proteins which bind with ribonucleic acids. The complex includes RsgA, PrsA, VacB, SAF, S1 and SmpB, and each protein is responsible for some side of qualitative control of translation and trans-translation. It was studied RsgA regulatory role in transtranslation. It is supposed that RsgA takes part in the high-speedy processes of dissociation of ribosomal subunits by way of binding its GTP-form with 30S-subunit (for which is needed energy-potential that has appeared in a result of GTP-hydrolysis by RsgA action) and their association through releasing its GDP-form from small subunit. Here, it is discussed role of PrsA, VacB, SAF, S1 and SmpB in regulation of translation and trans-translation: participation of PrsA in peculiar reparation of mRNA-regions (that have been damaged), role of VacB-protein in degradation of insufficient or damaged mRNA that further would be exchanged by tmRNA during trans-translation, formylation of a-amino group of alanyl-tmRNA by formyl transferase domain of SAF during adding the first amino acid of tag-peptide to amino acid sequence of the defect protein, stabilization of spatial structure of tmRNA in result its binding with S1 and possible perspectives of microorganisms functioning correction.
Key words: tmRNA, RsgA, RsgA, PrsA, VacB, SAF, S1, SmpB, translation, trans-translation, ribosome, Escherichia coli.
123
Вступ. Процес транс-трансляци (який активуеться до початку етапу термшаци елонгаци) е одшею i3 систем яккного контролю бюсинтезу макромолекул мiкроорганiзмiв (зокрема Escherichia coli) [1-17]. Одну з головних ролей у транс-трансляци вдаграе транспортно-матрицева РНК (тмРНК; 10Sa RNA або SsrA RNA) [1, 3, 8]. 1нша роль належить так званим тмРНК-зв'язуючим проте!нам, особливо VacB (РНКаза R), SAF, S1, PrsA i SmpB. Зважаючи на вищевказане та на те, що данi протеши присутш у високомолекулярному проте!новому комплексi поряд i3 RsgA з ГТФ-азною актившстю (функцiя якого активуеться малою субодиницею рибосоми) метою дано! роботи було охарактеризувати щ тмРНК-зв'язуючi протеши, спираючись на власнi спостереження та даш лiтератури.
Матер1али i методи. Бактерiальнi штами й !х умови культиваци, процедура видiлення тмРНК i комплексу тмРНК-зв'язуючих проте!шв та !х виявлення при зв'язуванш з тмРНК з допомогою методичного пiдходу детекци утвореного комплексу бшку iз тмРНК за зсувом спектру електрофоретичних смуг (або "gel-mobility shift assay") детально описаш нами [1, 2].
Результати дослщжень. Пщ час видiлення RsgA [1, 2] на початкових стадiях стввидшялись й iншi протеши високомолекулярного комплексу: VacB, SAF, S1, PrsA i SmpB (рис. 1). RsgA приймае участь у швидкоплинних процесах дисощаци субодиниць через зв'язування його ГТФ-форми iз 30S субодиницею (що потребуе енергетичного потенщалу, який вивiльняеться внаслщок гiдролiзу ГТФ за li ди) та !х асощаци через вщ'еднання ГДФ-форми даного протешу вiд мало! рибосомально! субодиницi [1-3, 12]. В E. coli RsgA кодуеться yjeQ, який аналопчний yloQ в Bacillus subtilis [6]. За вивчення впливу антибютиюв на механiзми клiтини i рiзнi класи сполук у штамiв B. subtilis iз делецiею yloQ спостерiгали уповiльнений рiст такого фенотипу й повшьне утворення ланцюгiв волокнистих кл^ин. Оскiльки продукти гену yloQ у B. subtilis залученi у кл^инний метаболiзм, включаючи подiл кл^ин i функцiонування рибосом, то RsgA очевидно вдаграе аналогiчну роль в E. coli поряд з функцюнуванням його в якост ГТФази за транс-трансляци.
Серед спектру тмРНК-зв'язуючих проте!шв високомолекулярного комплексу найбшьшу частку займае SmpB (~20 кДа) [1, 2, 10, 11, 15, 17], який е продуктом smpB, розташованого над геном тмРНК (ssrA). SmpB - це единий необхщний вщомий проте!новий кофактор тмРНК пiд час транс-трансляци. Двi рiзнi молекули SmpB беруть участь у транс-трансляци: перша молекула SmpB зв'язуеться бия фактор-зв'язуючого сайту на 50S субодинищ, допомагаючи приеднанню тмРНК до рибосоми в зош амшоацилюючого сайту; в той час як друга SmpB-молекула може функцюнально замшювати вщсутню петлю антикодонового стебла тд час останнiх етапiв транс-трансляци. Вш е необхiдним для стабшьного зв'язування тмРНК iз 70S рибосомою, залишаючись у мiцному асоцiатi з тмРНК i пiсля дисощаци рибосомальних субодиниць. Мутантний SmpB спричиняв уповшьнення процесiв як росту клiтин, так i вiдновлення вiд !х "карбонового голодування", що спостерiгалося i для ssrA-мутанив E. coli.
124
Рис.1. Електрофореграма бшк1в (фракций, отриманих п1сля хроматографй' на колонц1 з нос1ем DEAE-Toyopearl 650 (Фр. 47, 48, 59*; [2]); фракцш 59* в подальшому використовували для одержання RsgA за допомогою препаративного електрофорезу в ПААГ за нативних умов та його електроелюци iз смужки гелю, що вiдповiдав протешу молекулярною масою ~40 kDa (5-6 фракци протешового елюату).
VacB (РНК-аза R) належить до родини РНКаз II, в яких один домен схожий на такий же 3'- 5'-екзонуклеази, а шший - подiбний до S1-протеlну [1, 7, 9]. Про И функщональш взаемовщносини мiж тмРНК та•SmpB, свщчать можливо, по-перше, змiни в утворенш ¿а^-пептиду в бактерiальних штамiв з дефектним геном ще1 РНК-ази; по-друге, розташування гену ще1 РНКази (гпг), який за даними аналiзу ДНК-послiдовностей багатьох бактерiй i прокарютичних генiв у багатьох мiкроорганiзмiв знаходиться вище над smpB-геном й шдукуеться послiдовнiстю ДНК для тмРНК (ssrA). Приймаючи до уваги 2-4-кратне збшьшення утворення tag-пептидiв та сприйнятливiсть мРНК до ди РНК-ази R у гпг-мутанив, можна вважати, що ця РНК-аза, бере участь у деградаци неповно! або ушкоджено! мРНК, яку замшюе тмРНК пiд час транс-трансляци.
Оскiльки SAF-протеlн е несповна вивченим й охарактеризованим, то про його властивост можна говорити тшьки, спираючись на данi гомологи нуклеотидно1 послщовност його гену (y/bG) iз шшими [1, 10, 17]. Один його домен е гомолопчним ДНК метюншово1 тРНК формiл-трансферази, а iнший -дегщратазам сахаридiв або епiмеразам. Тому, зважаючи на це, одним iз найцiкавiших моментiв ди SAF-протеlну е те, що його формш-трансферазний домен формшюе a-амiногрупу аланiл-тмРНК при додаванш першо1 амiнокислоти ^а^-пептиду до амшокислотно1 послiдовностi "дефектного" проте1ну. Таким чином, вш, мабуть, функцiонуе як негативний регулятор активност тмРНК i SmpB. Такий же домен формiл-трансферази присутнш тiльки у кiлькох бактерiй, для яких вищевказана регуляторна функцiя е бшьш важливою у порiвняннi з шшими тд час транс-трансляци.
1ншим компонентом висомолекулярного комплексу е S1 проте1н, який специфiчно зв'язуеться з тмРНК [1, 15, 16]. Оскшьки у тмРНК вщсутня так
125
звана послщовшсть Шайн-Далгарно, що полегшуе асощацш дано! РНК Í3 рибосомою, то зв'язування одного або бiльше S1 проте!шв у свою чергу допомагае приеднанню комплексу тмРНК-EF-Tu-SmpB до рибосоми та решщаци правильного перенесення шформаци зчитувально! рамки tag-послiдовностi, а також Sl-протеш, можливо, бере участь у перетворенш дано! РНК з тРНК-аналогу в мРНК-аналог. Асоцiацiя S1 -протешу з тмРНК е слабкою, мабуть, через те, що вш разом з RF-1 фактором сприяе вщ'еднанню вiд рибосоми тмРНК.
PrsA-протеш - це фосфорибозилпiрофосфатсинтетаза, ензим, який приймае участь у rarnrai de novo нуклеотидiв, триптофану i пстидину [1, 5, 13]. Цiкавими е результати дослщжень, якi демонструють те, що ркт фенотипiв температуро-чутливих prsA--мутантiв стримуеться тмРНК дикого типу i не пригшчуеться такою ж РНК ssrA-мутантiв. Тут можлива двояка роль даного протешу, по-перше, вш може зв'язуватися з рибозою й активувати С-1-Карбон для приеднання пуриново! основи, що в свою чергу може вдагравати певну роль у залученш тмРНК-SmpB-комплексу до апуринових сайив на мРНК, якi рiдко зустрiчаються на "заблокованш" рибосомi, та своерщнш репараци цих ушкоджених дiлянок. По-друге, за умов недостатньо! кiлькостi попередниюв синтезу нуклеотидiв або амiнокислот PrsA-протеш може тдвищувати активнiсть системи тмРНК-SmpB, щоб впоратися iз пiдвищеними рiвнями "неповно! трансляци".
Висновки i перспективи подальших досл1джень. У мiкроорганiзмiв компоненти високомолекулярного комплексу проте!шв (кожному з яких властиве зв'язування з РНК) приймають участь у регуляци трансляци на рiзних рiвнях, зокрема RsgA - пiд час швидкоплинно! асощаци i дисощаци рибосомальних субодиниць i PrsA - у своерiднiй репараци апуринових сайтiв на мРНК; а за виникнення помилок цього процесу включаеться в контроль так звана система транс-трансляци, в яку входять поряд з тмРНК протеши (S1 i SmpB) та ензими (VacB, SAF i RsgA). Варто зазначити, що RsgA, функщя якого активуеться малою субодиницею рибосоми, виступае учасником контролю синтезу проте!шв як на рiвнi трансляци, так i, можливо, транс-трансляци. Перспективним е подальше вивчення впливу екзогенних чинниюв на тмРНК-зв'зуючi бшки з метою корекци росту i розвитку мiкроорганiзмiв.
Лiтература
1. Калачнюк Л.Г. Молекулярнi аспекти екзогенно! регуляци метаболiзму у клiтинах мiкроорганiзмiв-симбiонтiв та тварини-господаря / Л.Г. Калачнюк. Автореф. дис... д.б.н. за спец. 03.00.04 «бiохiмiя». - Нащональний ушверситет бюресурЫв i природокористування Укра!ни, Ки!в, 2009. - 39 с.
2. Калачнюк Л. Молекулярш мехашзми трансляцiйних переключень на рибосомах клiтини / Л. Калачнюк // Вкн. Львiв. ун-ту. Серiя Бiол. - 2005. -Вип.39. - С.33-39.
3. Interaction between RsgA and the ribosome / T. Kimura, K. Takagi, ..L. Kalachnyuk [et al.] // Oxford Journals: Nucleic Acids Symp. Ser. - 2007. - Vol. 51. -P. 375-376.
126
4. Калачнюк Л. Роль ново! ГТФ-ази в процесах асощаци й дисощаци рибосомальних субодиниць / Л. Калачнюк // Наук. вюник ЛНАВМ iM. С.З. Гжицького, Львш, 2006. - Т.8, №3(30), Ч.2. - С.35-39.
5. 10Sa RNA complements the temperature-sensitive phenotype caused by a mutation in the phosphoribosyl pyrophosphate synthetase (prs) gene in Escherichia coli / H. Ando, M. Kitabatake, H. Inokuchi // Genes Genet Syst. - 1996. - Vol.71. -P.47-50.
6. Characterization of the Bacillus subtilis GTPase YloQ and its role in ribosome function / T.L. Campbell, D.M. Daigle, E.D. Brown // Biochem J. -2005. -Vol.389 (Pt 3). - P.843-852.
7. The vacB Gene Required for Virulence in Shigella flexneri and Escherichia coli Encodes the Exoribonuclease RNase R / Z.F. Cheng, Y. Zuo, Z. Li [et al.] // J. Biol. Chem. - 1998, Vol.273, №23. - P.14077-14080.
8. Probing the structure of the Escherichia coli 10Sa RNA (tmRNA) / B. Felden, H. Himeno, A. Muto [et al.] // RNA. - 1997. - Vol.3. - P.89-104.
9. Emerging views on tmRNA-mediated protein tagging and ribosome rescue / R. Gillet, B. Felden // Mol. Microbiology. 2001. - Vol. 42. № 4. P.879- 885.
10. Small protein B interacts with the large and the small subunits of a stalled ribosome during trans-translation / M. Hallier, J. Desreac, B. Felden // Nucleic Acids Res. - 2006. - Vol.34, №6. - P.1935-1943.
11. SmpB functions in various steps of trans-translation / K. Hanawa-Suetsugu, M. Takagi, H. Inokuchi [et al.] // Nucleic Acids Res. - 2002. - Vol.30, №7. - P.1620 - 1629.
12. A novel GTPase activated by the small subunit of ribosome / H. Himeno, K. Hanawa-Suetsugu,.. L. Kalachnyuk [et al.] // Nucleic Acids Research. - 2004. -Vol. 32, No. 17. - P.5303-5309.
13. Hove-Jensen B. Phosphoribosyl diphosphate synthetase-independent NAD de novo synthesis in Escherichia coli: a new phenotype of phosphate regulon mutants / B. Hove-Jensen // J. Bacteriol. - 1996. -Vol 178, No. 3. -P.714-722.
14. Function of the SmpB tail in tmRNA translation revealed by a nucleus-encoded form / Y. Jacob, S.M. Sharkady, K. Bhardwaj [et al.] // J. Biol. Chem. -2005. Vol.280. - P.5503-5509.
15. Protein factors associated with the SsrA-SmpB tagging and ribosome rescue complex / A.W. Karzai, R.T. Sauer // PNAS. - 2001. - Vol. 98, № 6. - P.3040-3044.
16. High-affinity RNA ligands to Escherichia coli ribosomes and ribosomal protein S1: comparison of natural and unnatural binding sites / S. Ringquist, T. Jones, E E. Snyder [et al.] // Biochemistry. - 1995. - Vol.34. - P.3640-3648.
17. A previously uncharacterized role for small protein B (SmpB) in transfer messenger RNA-mediated trans-translation / T.R. Sundermeier, D.P. Dulebohn, H.J. Cho, A.W. Karzai // PNAS. - 2005. - Vol. 102, № 7. - P.2316-2321.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Буцяк B.I.
127
