Cấu trúc tinh thể ribosome và sự tổng hợp protein

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

282
lượt xem 56
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự khởi đầu dịch mã và chuyển vận protein là hai quá trình bắt đầu và kết thúc tiến trình tổng hợp protein. Trong một bài báo đăng trên tờ Structure số ra tháng 11 năm 2005, Boehringer và cộng sự đã cung cấp mô hình chung đầu tiên về sự tương tác của tiểu đơn vị 80S ribosome và HCV IRES.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc tinh thể ribosome và sự tổng hợp protein

Cấu trúc tinh thể ribosome và sự tổng hợp protein Sự khởi đầu dịch mã và chuyển vận protein là hai quá trình bắt đầu và kết thúc tiến trình tổng hợp protein. Trong một bài báo đăng trên tờ Structure số ra tháng 11 năm 2005, Boehringer
và cộng sự đã cung cấp mô hình chung đầu tiên về sự tương tác của tiểu đơn vị 80S ribosome và HCV IRES. Trong bài thứ hai cũng trên cùng tạp chí, Schlünzen và cộng sự đã mô tả cấu trúc của tiểu đơn vị 50S ribosome của vi khuẩn với vùng gắn ribosome của nhân tố kích họat (trigger factor TF) với những kết luận đáng kinh ngạc về chức năng của TF. Sự sinh tổng hợp protein có liên quan chặt chẽ với sự điều hoà phản ứng hình thành liên kết peptide trong bộ máy có độ phức tạp rất cao – ribosome. Trong vài năm
nay, các cấu trúc của ribosome đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách mà ribosome làm việc. Tuy nhiên, những cấu trúc đã được giải quyết và các cấu trúc được tái xây dựng từ kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (gọi tắt là cấu trúc cryo-EM – xem giải thích về cryo- EM tại http://www.medterms.com/script/m ain/art.asp?articlekey=24623) để lại nhiều lỗ hổng trong kiến thức của chúng ta về những bước cơ bản trong dịch mã. Ví dụ, chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu biết các cơ chế của sự khởi đầu dịch mã và cơ sở cấu trúc của sự cuộn gấp protein và sự chuyển vận ở mức độ đồng dịch
mã. Trong bài này, hai nhóm nghiên cứu đã thể hiện những tiến bộ quan trọng trong các lĩnh vực này. Ở Eukaryote, nhiều bộ máy dịch mã đã bị virus RNA chiếm lấy như là một phần của chu trình sống của chúng. Sự tiếp quản thường liên quan đến những nhân tố cis (hoạt động theo dạng cis) nằm trong vùng 5’ không dịch mã của mRNA virus, gọi là các vị trí đi vào bên trong ribosome (internal ribosome entry sites - IRES). IRES của virus đưa tiểu đơn vị 40S tiến vào chính xác codon khởi đầu mà không cần bổ sung đầy đủ các nhân tố khởi
đầu còn lại. Những IRES cho phép virus bỏ qua nhiều cơ chế bảo vệ của tế bào mà nó làm tắt sự khởi đầu dịch mã phụ thuộc mũ 5’ khi bị nhiễm hay dưới những điều kiện stress khác. Ví dụ, nhân tố IRES của virus viêm gan C (HCV) chỉ đòi hỏi tối thiểu eIF3, eIF2 và eIF5B để khởi đầu dịch mã. Cơ sở phân tử cho sự khởi đầu dựa vào IRES của HCV hiện chỉ mới bắt đầu được tập trung nghiên cứu. Nhiều nhóm đã phân rã IRES của HIV có kích thước khỏang 340 nucleotide thành nhiều tiểu vùng và xác định cấu trúc của chúng bằng NMR và tia X. Những cấu trúc này
đã cung cấp những chi tiết ở mức độ nguyên tử về cách các phần của IRES cuộn gấp. Tất nhiên nếu không có những đối tác tương tác chính xác – eIF3 và tiểu đơn vị 40S – những cấu trúc tiểu vùng này không thể hiện cấu hình mang chức năng của IRES. Một cấu trúc cryo- EM của phức hợp IRES HCV-tiểu đơn vị 40S đã được xác định vào khoảng 20 Å, hé mở rằng khi IRES có độ dài đầy đủ gắn lên thì đồng thời sẽ khóa vị trí thóat của mRNA. Boehringer và cộng sự hiện đã "tháo gỡ" được những bước sau cùng của sự khởi đầu dịch mã liên
quan IRES ở HCV. Các tác giả giữ IRES HCV trên ribosome 80S của người ngay tại thời kỳ chuyển tiếp từ lúc khởi đầu đến lúc kéo dài bằng cách dùng cycloheximide, cho phép họ thu nhận cấu trúc của phức hợp có độ phân giải 20 Å bằng kỹ thuật cryo-EM. Dùng các cấu trúc có độ phân giải ở mức độ nguyên tử của các tiểu vùng IRES và một mô hình của tiểu đơn vị 40S nấm men dựa xây dựng bằng kỹ thuật cryo-EM, các tác giả xây dựng một mô hình tổng quát cho việc IRES HCV gắn vào ribosome (xem hình 1)
(A) Hình minh họa phức hợp khởi sự IRES của HIV và tiểu đơn vị 80S của người dựa trên kỹ thuật cryo- EM. Đầu tiểu đơn vi6 nhỏ, rãnh và vị trí để RACK1 gắn vào được chỉ rõ. Vùng II của IRES (PDB mã hóa 1P5P) tương tác với cánh L1 trên tiểu dơn vị 60S. các tọa độ PDB được sử dũng để làm mẫu cho các vùng khác của IRES cũng được mô tả chi tiế.Tiểu đơn vị lớn (60S) màu xanh dương; tiểu đơn vị nhỏ (40S) màu vàng; IRES của HIV màu xanh
lá câu. (B) Mô hình cận cảnh cấu trúc dựa trên tia X của phức hợp tiểu đơn vi50S và TF-BD của D. radiodurans. Khe rãnh kỵ thủy, màu xám, mở cho TF-BD gắn lên tiểu đơn vị 50S được chỉ định bằng muỗi tên. Chuỗi polypeptide sơ sinh rời khỏi kênh thóat và đi vào khe rãnh kỵ thủy. Tiểu đơn vị lớn (50S) màu xanh dương; TF-BD hoặc đuôi TF màu hồng da cam, đầu và đuôi của TF nằm trong phức hợp màu đỏ. Trong cấu trúc của phức hợp IRES HCV/ribosome 80S, IRES tương
tác với phần cánh tay L1 của tiểu đơn vị lớn 60S. Sự quan sátnày khá là hấp dẫn, khi sự tương tác này mang một vài điểm tương đồng với sự tương tác của IRES của virus gây liệt ở dế với vùng cánh tay L1, mà các chức năng khác là khác biệt hoàn toàn. Phần cánh tay L1 di chuyển ở một bên trong suốt sự chuyển vị tRNA và mRNA, cho thấy rằng IRES được sử dụng cho chức năng bình thường của phần cánh tay L1 để thuận tiện cho việc loại bỏ IRES sau khi khởi sự. Hai khía cạnh của cấu trúc cryo- EM này sẽ cần thêm các nghiên cứu thực nghiệm trong tương lai.
Đầu tiên, phức hợp được bắt giữ này thiếu các tRNA gắn. Đây là một điều đáng ngạc nhiên, khi nó được mong đợi là được nhìn thấy tRNA gắn vào vị trí P trong phức hợp khởi sự. Thứ hai, phức hợp 80S-IRES có sự gắn protein điều hoà RACK1 ở mức độ thấp. RACK1 gắn vào phần đầu của tiểu đơn vị nhỏ của ribosome và đáp ứng như là một mối liên kết giữa tín hiệu điều hoà tế bào và sự dịch mã. Vai trò chính xác của RACK1 trong con đường tín hiệu vẫn chưa được biết rõ, và vai trò của nó trong hiệu quả dịch mã từ IRES HCV vẫn chưa được khám phá.
Một ít giây sau khi sự dịch mã bắt đầu, chuỗi polypeptide mới sinh bắt đầu xuất hiện từ một lối ra (kênh thóat) trên ribosome. Sự xuất hiện này là một sự kiện lớn cho bất kỳ protein nào và sẽ xác định số phận sau cùng của nó. ở vi khuẩn, hai hệ thống riêng biệt tương tác với lối ra trên ribosome để đưa đến sự cuộn gấp và chuyển vận protein ngay đồng thời với quá trình dịch mã các protein này. Thành phần nhận biết tín hiệu (signal recognition particle – SRP) nhận diện chuỗi mới sinh ban đầu mà nó sẽ trở thành các protein trong màng. Còn chuỗi mới sinh mà điểm cuối của nó là tế bào chất hay đi đến quá trình tiết sau
dịch mã được nhận ra bởi các nhân tố khởi sự (TF), một chaperone đa chức năng hoạt động bổ trợ với chaperone DnaK. Vào năm ngoái, các cấu trúc của TF đơn độc và vùng gắn ribosome của TF mà nó sẽ gắn với tiểu đơn vị 50S của Archae đã cung cấp hình ảnh cấu trúc đầu tiên về cách mà TF giúp sự cuộn gấp protein của chuỗi polypeptide mới sinh. Dùng cấu trúc TF-BD/tiểu dơn vị 50S của Archae như một bản mẫu, Ferbitz và cộng sự đề xuất một mô hình trong đó TF hình thành “nôi” kị thủy phủ lên lối ra. Cái nôi này giúp protein cuộn gấp bằng cách
phủ quanh nó một thể tích có kích cỡ xấp xỉ bằng vùng protein đơn. Cấu trúc được công bố của TF để lại hai vấn đề chưa được giải quyết. Đầu tiên, cấu trúc của TF-BD trên tiểu đơn vị 50S của Archae liên quan đến một hệ thống dị thể. Archae sử dụng một chaperone khác biệt hoàn toàn để bắt đầu sự cuộn gấp protein, đó là phức hợp trợ giúp với chuỗi polypeptide mới sinh (nascent polypeptide- associated complex). Có thể như là kết quả của bản chất dị thể của phức hợp, chỉ khoảng 40 amino acid của TF-BD có thể thấy được trong trúc đồng tinh thể (cocrystal),
điều này đưa đến câu hỏi về mục đích đầy đủ của tương tác TF- BD/50S. Thứ hai, một sự loại bỏ cả hai yếu tố TF và DnaK dẫn tới kiểu hình gây chết có thể được cứu chỉ bởi một mình TF-BD. Cấu trúc nguyên thuỷ cung cấp sự giải thích chưa rõ ràng về cách mà dạng bị cắt cụt của TF có thể đền bù cho sự mất cả cặp yếu tố này. Hai nhóm nghiên cứu của Schlünzen và Yohath đã độc lập cung cầp những cái nhìn về việc TF-BD gắn với tiểu đơn vị 50S của vi khuẩn trong một phức hợp đồng thể, với một vài kết quả bất ngờ. Đầu tiên, gần như (hơn 100 acid
amin của 112 acid amin) toàn bộ các TF-BD có thể được nhìn thấy trong các bản đồ mật độ electron của các protein. Điều này cho phép các tác giả xây dựng mô hình nguyên vẹn TF gắn với ribosome theo một cách khắt khe hơn. Đáng chú ý là tương tác giữa TF-BD và một vòng thòng lọng dài của protein ribosome L24 thực tế có thể ngăn chặn cái "nôi" phân tử nằm giữa TF-BD và ribosome. Thứ hai, sự cuộn gấp của TF-BD thay đổi đột ngột khi tiểu đơn vị 50S gắn vào, mở ra một khe kỵ thủy chạy suốt chiều dài của domain. Các tác giả đề xuất rắng khe này, tương ứng với sự bảo tồn acid amin cao,
có thể gắn với những phần kị nước của chuỗi mới sinh một cách trực tiếp. Một tương tác như vậy sẽ giúp giải thích cho việc TS-BD giải cứu kiểu hình gây chết trong đột biến cả hai yếu tố TF và DnaK. Các tác giả kết luận những phân tích của họ bằng một đề xuất đáng chú ý là TF-BD có thể gắn với chuỗi tín hiệu trong một cách bổ trợ với SRP. Có một ít bằng chứng cấu trúc và sinh hoá được cung câp, nhưng quan điểm rằng SRP và TF có thể tương tác đồng thời với cùng một chuỗi mới sinh chắc chắn là một thử nghiệm đáng giá.