CC BY
73
СТРАТЕГИЯ КОДИРОВАНИЯ АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗ ЧЕЛОВЕКА
БУТВИЛОВСКИЙ А.В.*.БАРКОВСКИЙ Е.В.**. БУТВИЛОВСКИЙ В.Э.***
УО «Белорусский государственный медицинский университет» центральная научно-исследовательская лаборатория *, кафедра общей химии БГМУ**, кафедра биологии БГМУ***
Резюме. Статья посвящена определению стратегии кодирования алко-гольдегидрогеназ человека. Установлено наличие АТ-давления в изучаемых последовательностях мРНК, кодирующих АДГ классов 1А. 1С. 2. 3. 4. 5 и слабого ГЦ-давления в последовательности мРНК. кодирующей АДГ 1В класса. Стратегия кодирования алкогольдегидрогеназ человека заключается в том. что при слабом ГЦ-давлении по сравнению с АТ-давлением преимущественно используются синонимичные ГЦ3-кодоны. кодирующие изолейцин. серин. треонин. гистидин. глутамин. аспарагин. аргинин и глицин. увеличивается использование ГЦЗ-кодонов. кодирующих лейцин. валин. пролин. аланин тирозин. лизин и глутаминовую кислоту. а также уменьшается использования ГЦЗ-кодонов. соответствующих фенилаланину. цистеину и аспарагиновой кислоте.
Ключевые слова: стратегия кодирования. предпочтение кодонов. алко-гольдегидрогеназа.
Abstract. This article is devoted to definition of the coding strategy for human alcohol dehydrogenases. We established presence of АТ-pressure in mRNA sequences. coding ADH 1А. 1С. 2. 3. 4. 5 classes and weak GC-pressure in mRNA sequence. coding ADH 1В class. The coding strategy for human alcohol dehydrogenases consists that at a weak GC-pressure in comparison with АТ-pressure synonymous GC3-codons of ile. ser. thr. his. gln. asn. arg. gly will mainly be utillized. usage of GC3-codons coding leu. val. pro. ala. tyr. lys and glu is enlarged and usage of GC3-codons appropriate to phe. cys and asp is decreased.
Адрес для корреспонденции: Республика
Беларусь. 220116. г.Минск. пр Дзержинского. 83. т. (017) 272-65-98. (0295) 65-50-00. Бутвиловский А.В.
Из-за вырожденности генетического кода большинство аминокислот кодируются более чем одним кодоном. Так как синонимичные замены не вызывают изменения кодируемой аминокислоты. а естественный отбор действует главным образом на уровне белков. то синонимичные замены следует считать нейтральными. Если это так. то частоты использования кодонов в пределах одной серии должны быть одинаковыми. Однако зачастую это не так. то есть существует предпочтение кодонов - явление. при котором частоты использования кодонов в серии различаются.
Для объяснения этого явления предложено ряд гипотез. Так в 1979 году Л. Пост связал предпочтение кодонов с количеством соответствующих тРНК и со степенью экспрессии данного гена. В последующем установлено наличие очень сильной корреляции между содержанием различных тРНК и частотой использования соответствующих кодонов в генах дрожжей и E.coli. Однако может иметь место и обратная ситуация. когда соотношение между различными тРНК. определяемое числом их генов. подгоняется к относительным частотам синонимичных кодонов. Вполне вероятно. что количество изоакцепторных тРНК и значения RSCU взаимосвязаны. то есть изменение одного из этих показателей вызывает изменение другого и наоборот. Также были высказаны гипотезы о влиянии на неслучайное использование синонимичных кодонов содержания гуанина и цитозина. а также о возможной роли воблинга (способности тРНК узнавать не только свой кодон) особенно в случае модификации оснований в первом положении антикодона. Следует сказать. что в начале 80-х годов прошлого столетия Р. Грэнтсем предложил геномную гипотезу. согласно которой большинство генов данного генома имеют одинаковую кодирующую стратегию [3].
В предварительно проведенных исследованиях нами обнаружено наличие влияния ГЦ-давления на использование претерминальных кодонов в последовательностях мРНК. кодирующих алкогольдегидрогеназы (АДГ) класса 3 [4]. По этой причине. с нашей точки зрения. содержание гуанина и цитозина является одним из наиболее вероятных факторов. определяющих неслучайное использование синонимичных кодонов.
Цель исследования: установить стратегию кодирования алкогольдегидро-геназ человека.
Методы
Проанализированы аминокислотные последовательности алкогольдегид-рогеназ человека классов 1А. 1В. 1С [8]. 2 [7]. 3 [6]. 4 [5]. 5 [11]. а также кодирующие их нуклеотидные последовательности мРНК. Для определения аминокислотного и нуклеотидного состава. показателя относительного использования синонимичных кодонов (RSCU. relative synonymous codon usage) использовался пакет программ MEGA 3 [9]. Полученные результаты обработаны методами описательной статистики. достоверность различий определена по критерию t.
Результаты
Как известно. молекула ДНК состоит из двух антипараллельных поли-нуклеотидных цепей. соединенных друг с другом при помощи водородных связей. возникающих между азотистыми основаниями разных цепочек. Причем
между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином - три. Насыщенность молекулы ДНК гуанином и цитозином является одним из факторов, обеспечивающих ее термодинамическую стабильность. Об этом можно судить исходя из насыщенности гуанином и цитозином мРНК, образовавшейся в процессе транскрипции. Для определения стратегии кодирования алкогольдегидрогеназ человека установлено процентное содержание гуанина и цитозина в соответствующих последовательностях мРНК (табл. 1).
Таблица 1
Процентное содержание гуанина и цитозина в последовательностях мРНК, ______________кодирующих алкогольдегидрогеназы человека_________________
Класс АДГ G+C, % G1+C1, % G2+C2, % G3+C3, %
1А 47.7 53.2 42.6 47.0
1В 49.4 54.8 43.1 50.5
1С 48.2 54.0 43.0 47.6
2 44.8 50.9 44.3 39.2
3 45.9 53.6 43.2 40.8
4 46.8 51.4 43.5 45.3
5 45.6 51.0 42.1 43.9
Для установления стратегии кодирования определен показатель RSCU для кодонов. содержащих в третьем положении гуанин или цитозин. в последовательностях АДГ 1 В и 2 классов человека. как наиболее отличающихся по содержанию гуанина и цитозина (диаграмма 1).
4.5 4
3.5
3
3
0
Q? 2,5 ф
S
1
S 2
та х
со
1,5
1
0,5
0
Фен Лей Иле Вал Сер Про Тре Ала Тир Гис Глн Асн Лиз Асп Глу Цис Арг Гли аминокислотные остатки, кодируемые синонимичными вОЭ-кодонами
Диаграмма 1. Показатель относительного использования синонимичных ГЦЗ-кодонов для алкогольдегидрогеназ 1В и 2 классов человека.
Для статистического подтверждения полученной зависимости между ГЦ-содержанием и значениями ЯБСи для синонимичных ГЦЗ-кодонов нами вычислены коэффициенты корреляции, их ошибка и достоверность корреляционных связей (табл. 2).
Таблица 2
Показатели корреляции между содержанием гуанина и цитозина и значениями ЯЗСи для ГЦЗ-кодонов в последовательностях мРНК, кодирующих алкогольдегидрогеназы человека
Амино- кислота Фен Вал Арг Лей Сер Про Тре Ала Гли
GC3- кодоны УУЦ ГУЦ ГУГ ЦГЦ ЦГГ АГГ УУГ ЦУЦ ЦУГ УЦЦ УЦГ АГЦ ЦЦЦ ЦЦГ АЦЦ АЦГ гцц ГЦГ ГГЦ ГГГ
г±ш -0,26± 0.431 0.76± 0.291* 0.58± 0.363 -0.40± 0.409 0.92± 0.170* 0.73± 0.307* 0.65± 0.341 -0.38± 0.414 0.82± 0.259*
амино- кислота Лиз Асн Глн Асп Гис Глу Иле Цис Тир
GC3- кодоны ААГ ААЦ ЦАГ ГАЦ ЦАЦ ГАГ АУЦ УГЦ УАЦ
г±ш -0,16± 0.441 0.67± 0.334* 0.59± 0.362 -0.17± 0.441 0.54± 0.376 0.36± 0.417 0.25± 0.433 -0.37± 0.416 0.62± 0.350
Примечание. Достоверные корреляционные связи (р<0,05) обозначены знаком
*
В табл. 3 представлена зависимость между ГЦ-содержанием и содержанием аминокислот в изучаемых последовательностях.
Таблица 3
Коэффициенты корреляции между содержанием гуанина и цитозина и содержанием аминокислот в последовательностях алкогольдегидрогеназ
человека
Амино- кислота Фен Вал Арг Лей Сер Про Тре Ала Гли Мет
г±ш -0.26± 0.431 0.69± 0.323* 0.46± 0.397 -0.03 0.447 -0.44± 0.402 0.85± 0.238* -0.15± 0.442 -0.21± 0.437 -0.50± 0.386 0.51± 0.383
амино- кислота Лиз Асн Глн Асп Гис Глу Иле Цис Тир Три
г±ш 0.27± 0.431 0.19± 0.439 -0.48± 0.393 0.00± 0.447 0.65± 0.338 -0.17± 0.440 -0.82± 0.259* -0.43± 0.403 -0.13± 0.444 -0.70± 0.320*
Примечание. Достоверные корреляционные связи (р<0,05) обозначены знаком *.
На диаграмме 2 показана зависимость содержания тирозина, валина и изолейцина в последовательностях алкогольдегидрогеназ человека от общего ГЦ-содержания.
содержание гуанина и цитозина, %
Диаграмма 2. Зависимость содержания изолейцина, валина и тирозина в последовательностях алкогольдегидрогеназ человека от общего содержания гуанина и цитозина в кодирующих их последовательностях мРНК.
Обсуждение
Из приведенных в табл. 1 данных видно. что общее содержание гуанина и цитозина в изучаемых последовательностях мРНК колеблется в пределах 44.8 -49.4%. при чем наибольшее содержание вышеназванных азотистых оснований характерно для АДГ класса 1В (49.4%). а наименьшее - для АДГ класса 2 (44.8%). Большая насыщенность гуанином и цитозином последовательности мРНК. кодирующей алкогольдегидрогеназы класса 1В человека. может свидетельствовать о большей термодинамической стабильности соответствующего участка молекулы ДНК.
Кроме этого. проанализировано содержание гуанина и цитозина в каждом положении нуклеотида в кодоне в отдельности. Так. для АДГ 1А класса наибольшее содержание Г+Ц отмечено в первом положении нуклеотида в кодоне (53.2%). меньшее в третьем (47.0%). а наименьшее - во втором (42.6%). Для последовательностей мРНК. соответствующих АДГ 1А. 1С. 2. 3. 4. 5 классов. характерно преобладание общего ГЦ-содержания над содержанием гуанина и цитозина в третьем положении кодона. что позволяет говорить о наличии в изучаемых последовательностях АТ-давления. Для последовательности мРНК. кодирующей АДГ 1В класса. характерно незначительное преобладание содержания гуанина и цитозина в третьем положении кодона над общим ГЦ-содержанием. а. следовательно. наличие слабого ГЦ-давления.
На диаграмме 1 видно. что для 15 (83.3%) аминокислотных остатков. кодируемых ГЦЗ-кодонами. значение ЯБСи увеличивается с ростом общего со-
держания гуанина и цитозина и лишь для трех аминокислот (фенилаланина. цистеина и аспарагиновой кислоты) - уменьшается. Таким образом. при уменьшении АТ-содержания наблюдается преимущественное использование синонимичных ГЦ3-кодонов. соответствующих 8 аминокислотным остаткам (изолейцину. серину. треонину. гистидину. глутамину. аспарагину. аргинину и глицину). При росте ГЦ-содержания происходит увеличение использования ГЦ3-кодонов. кодирующих 7 аминокислот (лейцин. валин. пролин. аланин тирозин. лизин и глутаминовую кислоту). а также уменьшение использования ГЦ3-кодонов. соответствующих 3 аминокислотам (фенилаланину. цистеину и аспарагиновой кислоте). Поскольку АДГ классов 1 В и 2 в основном синтезируется в одних и тех же клетках (гепатоцитах). обладающих одним пулом тРНК. трудно согласится с мнением о том. что содержание изоакцепторных тРНК является главным фактором. определяющим предпочтительное использование синонимичных кодонов [3].
Только для пяти (валин. серин. пролин. глицин и аспарагин) из восемнадцати рассмотренных аминокислотных остатков. кодируемых ОС3-кодонами. характерно наличие достоверных прямых корреляционных связей между значением ЯБСи и общим содержанием гуанина и цитозина. При этом для аспарагина связь средней силы. а для валина. серина. пролина и глицина - связь сильная. Между сравниваемыми показателями для фенилаланина. лейцина. аланина. лизина. аспарагиновой кислоты и цистеина характерны отрицательные корреляционные связи. не являющиеся. однако достоверными.
Изменение значения ЯБСи можно объяснить исходя из двух механизмов. Во-первых. изменение ЯБСи может быть связано с заменами в третьем положении кодона. то есть с взаимными переходами АТ3- и ГЦ3-кодонов. Во-вторых. изменение ЯБСи может быть обусловлено заменами в первом и втором положениях кодона. что приводит к изменению кодируемой аминокислоты. При наличии прямой корреляционной связи между ЯБСи и ГЦ-содержанием наиболее вероятен первый механизм. а в обратном случае - второй механизм. Замена кодируемой аминокислоты в этом случае позволяет предположить ее большее структурно-функциональное значение.
Таким образом. используя этот подход. можно предположить существенное значение фенилаланина. лейцина. аланина. лизина. аспарагиновой кислоты и цистеина для активности алкогольдегидрогеназ человека. Известно. что все вышеназванные аминокислотные остатки действительно необходимы для структуры и функции АДГ. Так. фенилаланин участвует в формировании внутренней части. а лейцин - наружной части субстрат-связывающего пакета. что во многом определяет субстратную специфичность алкогольдегидрогеназ. Лизин вместе с аспарагиновой кислотой играет важную роль в образовании фермент-коферментного комплекса. Остатки цистеина и аспарагиновой кислоты обеспечивают образование холофермент-субстратного комплекса. удерживаемого ионами цинка. Остатки аланина. по-видимому. принимают участие в поддержании структуры фермента.
Между ГЦ-содержанием и содержанием валина. пролина. изолейцина и триптофана существуют достоверные корреляционные связи. При чем для ва-
лина характерна прямая связь средней силы. для пролина - прямая сильная связь. а для изолейцина и триптофана - обратные сильные связи.
По показателям корреляции. полученным для алкогольдегидрогеназ человека. все входящие в их последовательности аминокислоты можно разделить на три группы. К первой группе отнесены аминокислоты. содержание которых достоверно положительно коррелирует с содержанием гуанина и цитозина (валин и пролин). Ко второй группе - аминокислоты. содержание которых достоверно отрицательно коррелирует с содержанием гуанина и цитозина (изолейцин и триптофан). А к третьей группе - аминокислоты. содержание которых не коррелирует достоверно с содержанием гуанина и цитозина (фенилаланин. аргинин. лейцин. серин. треонин. аланин. глицин. метионин. лизин. аспарагиновая и глутаминовая кислоты. глутамин. аспарагин. гистидин. цистеин и тирозин).
Наблюдаемый на диаграмме 2 перекрест трендов для валина и изолейцина можно объяснить транзициями А^Г в первом положении кодона под влиянием ГЦ-давления. В пользу этого говорит и тот факт. что транзиции более вероятны. чем трансверсии. а замены А^Г происходят чаще. чем любые другие замены [1. 2. 3].
Следует отметить. что сходная классификация аминокислот. входящих в состав бактериальных белков. в зависимости от насыщенности гуанином и цитозином кодирующих их была ранее произведена Н. Суеокой [10]. При этом 11 из 18 изученных им аминокислот (61.1%) аналогично классифицированы нами. Отсутствие полной идентичности. вероятно. связано с различиями стратегий кодирования белков у человека и бактерий. а также малым диапазоном колебаний значений ГЦ-содержания АДГ человека (44.8-49.4%).
Заключение
Наибольшее содержание гуанина и цитозина характерно для последовательностей мРНК. кодирующих АДГ класса 1В (49.4%). а наименьшее - АДГ 2 класса (44.8%).
Для пяти (валина. серина. пролина. глицина и аспарагина) из 18 рассмотренных аминокислотных остатков. кодируемых ГЦ3-кодонами. характерно наличие достоверных прямых корреляционных связей между значением ЯБСи и общим содержанием гуанина и цитозина.
По показателям корреляции между содержанием аминокислот в последовательностях алкогольдегидрогеназ человека и ГЦ-насыщенностью кодирующих их последовательностей мРНК. все аминокислоты можно разделить на 3 группы:
1) Аминокислоты. содержание которых достоверно положительно коррелирует с содержанием гуанина и цитозина (валин и пролин);
2) Аминокислоты. содержание которых достоверно отрицательно коррелирует с содержанием гуанина и цитозина (изолейцин и триптофан);
3) Аминокислоты. содержание которых не коррелирует достоверно с содержанием гуанина и цитозина (фенилаланин. аргинин. лейцин. серин. треонин. аланин. глицин. метионин. лизин. аспарагиновая и глутаминовая кислоты. глутамин. аспарагин. гистидин. цистеин и тирозин).
Предложенная классификация аминокислот на 61.1% аналогична классификации аминокислот входящих в состав бактериальных белков. предложенной Н. Суеокой. Из этого следует. что для бактериальных белков и белков человека (алкогольдегидрогеназ) характерны сходные стратегии кодирования в зависимости от содержания гуанина и цитозина. несмотря на малый диапазон колебаний значений ГЦ-содержания в мРНК. кодирующих АДГ человека.
Таким образом. стратегия кодирования алкогольдегидрогеназ человека заключается в том. что при слабом ГЦ-давлении по сравнению с АТ-давлением преимущественно используются синонимичные ГЦ3-кодоны. кодирующие изолейцин. серин. треонин. гистидин. глутамин. аспарагин. аргинин и глицин. увеличивается использование ГЦЗ-кодонов. кодирующих лейцин. валин. пролин. аланин тирозин. лизин и глутаминовую кислоту. а также уменьшается использования ГЦ3-кодонов. соответствующих фенилаланину. цистеину и аспарагиновой кислоте.
Литература
1. Барковский Е.В.. Ачинович О.В.. Барабаш С.Г. [и др.] // Белорусский медицинский журнал. - 2002.- № 2. - С. 49-52.
2. Бутвиловский. А. В. // Белорусский медицинский журнал. - 2005.- №2.
- С.30-32.
3. Кимура. М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности / М. Ки-мура - М.. 1985. - 398 с.
4. Хрусталев. В.В. Молодежная наука и современность // Юбилейная межвузовская научная конференция студентов и молодых ученых. посвященная 70-летию КГМУ: в 2-х ч./ В.В. Хрусталев. А.В. Бутвиловский. - Курск: КГМУ. 2005.- Ч. I. - С. - 81-82.
5. Farres J.. Moreno A.. Crosas B. [et al.] // Eur. J. Biochem. - 1994. - Vol. 224(2). - P. 549-557.
6. Galter D.. Carmine A.. Buervenich S. [et al.] // Eur. J. Biochem. - 2003. -Vol. 270 (6). - P. 1316-1326.
7. Iida A. Saito S.. Sekine A. [et al.] // J. Hum. Genet. - 2002. - Vol. 47 (2).
- P. 74-76.
8. Ikuta T.. Szeto S.. Yoshida A. // Biochemistry. - 1986. - Vol. 25 (9). - P. 2465-2470.
9. Kumar S.. Tamura K.. Nei M. // Brief. Bioinformatics. - 2004. - Vol. 5. -P. 150-160.
10. Sueoka N. // PNAS - 1961. - Vol. 47. - P. 1141-1149.
11. Zhi X.. Chan E.M. and Edenberg H.J. // J. DNA Cell Biol. - 2000. - Vol. 19(8). - P. 487-497.
