Единица трансляции

Единица трансляции — это минимальный фрагмент генетической информации (мРНК), который кодирует одну полипептидную цепь (белок) в процессе биосинтеза белка. В молекулярной биологии термин используется для обозначения непрерывной последовательности нуклеотидов в матричной РНК, которая считывается рибосомой от стартового кодона до стоп-кодона, в результате чего синтезируется функциональный белок или его домен. Понятие тесно связано с организацией генов у прокариот и эукариот, а также с механизмами регуляции экспрессии генов.

История термина

Термин «единица трансляции» возник в середине XX века в ходе развития молекулярной биологии. В 1961 году Фрэнсис Крик и его коллеги сформулировали центральную догму молекулярной биологии, согласно которой информация передаётся от ДНК к РНК, а затем к белку. Вскоре было установлено, что генетический код является триплетным и непрерывным, а рибосома считывает мРНК последовательно, без пропусков. В 1960-х годах, после открытия оперонной модели у бактерий (Франсуа Жакоб и Жак Моно, 1961), стало ясно, что у прокариот одна молекула мРНК может содержать несколько последовательных кодирующих участков, каждый из которых является отдельной единицей трансляции. У эукариот, напротив, мРНК обычно моноцистронна, то есть содержит одну единицу трансляции.

Строение единицы трансляции

Единица трансляции включает три ключевых элемента:

• Стартовый кодон — обычно AUG (кодирует метионин у эукариот и формилметионин у прокариот), с которого начинается трансляция.
• Открытая рамка считывания (ORF) — последовательность нуклеотидов, расположенная между стартовым и стоп-кодонами, которая транслируется в аминокислотную последовательность белка.
• Стоп-кодон — один из трёх кодонов (UAA, UAG, UGA), сигнализирующий о завершении трансляции.

У прокариот единица трансляции может включать также лидерную последовательность (5'-нетранслируемая область, 5'-UTR) и трейлерную последовательность (3'-нетранслируемая область, 3'-UTR), которые не кодируют белок, но участвуют в инициации и регуляции трансляции. У эукариот 5'-UTR и 3'-UTR обычно длиннее и содержат регуляторные элементы, такие как последовательности Козак (консенсусная последовательность для инициации трансляции) и сайты связывания микроРНК.

Типы единиц трансляции

Моноцистронные и полицистронные мРНК

По количеству единиц трансляции в одной молекуле мРНК различают:

• Моноцистронные мРНК — содержат только одну единицу трансляции, кодирующую один белок. Характерны для эукариот. Пример: мРНК гемоглобина человека.
• Полицистронные мРНК — содержат несколько последовательных единиц трансляции, каждая из которых кодирует отдельный белок. Характерны для прокариот и некоторых вирусов. Пример: lac-оперон E. coli, содержащий три гена (lacZ, lacY, lacA), каждый из которых является отдельной единицей трансляции.

Открытые рамки считывания (ORF)

В геномике под единицей трансляции часто понимают открытую рамку считывания (ORF) — последовательность нуклеотидов, которая потенциально может быть транслирована в белок. ORF определяется как участок ДНК или РНК, начинающийся со стартового кодона и заканчивающийся стоп-кодоном, без внутренних стоп-кодонов в той же рамке считывания. Поиск ORF является основным методом аннотации генов в геномных проектах.

Механизм трансляции единицы трансляции

Процесс трансляции единицы трансляции включает три этапа:

1. Инициация — рибосома связывается с мРНК в области стартового кодона. У прокариот это происходит с помощью последовательности Шайна — Дальгарно (AGGAGGU), расположенной выше стартового кодона. У эукариот инициация требует наличия 5'-кэпа и сканирования мРНК до первого AUG.
2. Элонгация — рибосома последовательно считывает триплеты мРНК, добавляя соответствующие аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Трансляция продолжается до тех пор, пока не будет достигнут стоп-кодон.
3. Терминация — при достижении стоп-кодона факторы терминации (например, RF1, RF2 у прокариот; eRF1 у эукариот) вызывают высвобождение полипептидной цепи и диссоциацию рибосомы.

Регуляция единиц трансляции

Экспрессия единиц трансляции регулируется на нескольких уровнях:

• Транскрипционный уровень — количество синтезируемой мРНК определяет доступность единиц трансляции.
• Посттранскрипционный уровень — стабильность мРНК, сплайсинг (у эукариот), редактирование РНК.
• Трансляционный уровень — эффективность инициации трансляции зависит от структуры 5'-UTR, наличия регуляторных белков и микроРНК.
• Посттрансляционный уровень — фолдинг, модификации и деградация белка.

У прокариот полицистронные мРНК позволяют координировать экспрессию генов, участвующих в одном метаболическом пути. Например, в триптофановом опероне (trp-оперон) все пять генов, необходимых для синтеза триптофана, находятся в одной единице трансляции, что обеспечивает их одновременную экспрессию.

Значение в биологии и медицине

Понимание единиц трансляции имеет фундаментальное значение для:

• Геномики и протеомики — аннотация генов, предсказание белковых продуктов.
• Генетической инженерии — создание рекомбинантных конструкций, в которых единицы трансляции могут быть перестроены для экспрессии чужеродных белков.
• Медицины — мутации в единицах трансляции (например, в стартовых или стоп-кодонах) могут приводить к наследственным заболеваниям. Пример: мутация в стартовом кодоне гена β-глобина вызывает β-талассемию.
• Вирусологии — многие вирусы (например, ВИЧ, коронавирусы) используют полицистронные мРНК или механизмы сдвига рамки считывания для увеличения числа кодируемых белков.

Примеры

• Прокариоты: мРНК lac-оперона E. coli содержит три единицы трансляции: lacZ (β-галактозидаза), lacY (пермеаза лактозы), lacA (трансацетилаза). Каждая единица имеет свой стартовый и стоп-кодон, но транслируется с одной молекулы мРНК.
• Эукариоты: мРНК гена инсулина человека содержит одну единицу трансляции, кодирующую препроинсулин, который после посттрансляционных модификаций превращается в активный инсулин.
• Вирусы: геном вируса табачной мозаики (ВТМ) содержит несколько единиц трансляции, часть из которых экспрессируется за счёт сдвига рамки считывания или субгеномных РНК.

Источники

1. Крик Ф. Центральная догма молекулярной биологии. — Nature, 1970.
2. Жакоб Ф., Моно Ж. Генетические регуляторные механизмы в синтезе белка. — Journal of Molecular Biology, 1961.
3. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — 6-е издание, Garland Science, 2014.
4. Льюин Б. Гены. — 12-е издание, Jones & Bartlett Learning, 2017.
5. Уотсон Дж. и др. Молекулярная биология гена. — 7-е издание, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2013.