Роль факторов терминации в гидролизе сложноэфирной связи пептидил-тРНК у бактерий

Мини-обзор

Департамент Биологических Наук, Университет штата Иллинойс в Чикаго, 60607 Чикаго, США

Поступила в редакцию 15.05.2021
После доработки 16.06.2021
Принята к публикации 16.06.2021

DOI: 10.31857/S0320972521090074

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: факторы терминации трансляции, рибосома, 70S, пептидил-тРНК, гидролиз, структурный анализ.

Аннотация

Факторы терминации первого класса (RF1 и RF2) распознают стоп-кодоны в последовательностях матричных РНК и необходимы для гидролиза сложноэфирной связи пептидил-тРНК в P-сайте рибосомы на завершающем этапе биосинтеза белка у бактерий, в результате чего готовый белок выходит из рибосомы. Ключевую роль в данной реакции высвобождения готового полипептида играет высококонсервативный мотив GGQ в аминокислотной последовательности этих факторов, некоторые мутации которого значительно понижают скорость гидролиза или даже полностью ингибируют его. Ранее было высказано предположение, что аминокислоты GGQ-фрагмента непосредственно координируют молекулу воды, которая располагается вблизи карбонильной группы пептидил-тРНК и непосредственно участвует в гидролизе сложноэфирной связи. Однако имеющиеся структуры терминационных комплексов бактериальной рибосомы не позволяют идентифицировать молекулу воды в активном центре рибосомы и определить точное расположение сложноэфирной связи пептидил-тРНК относительно GGQ и, следовательно, выяснить детальный механизм реакции, равно как и роль этой последовательности. Данный обзор суммирует опубликованные данные, а также высказанные ранее гипотезы о роли GGQ в реакции гидролиза пептидил-тРНК. Кроме того, в настоящей работе рассмотрены основные причины, препятствующие получению структурных данных высокого разрешения, необходимых для выяснения детального механизма катализа.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Illinois State Start-up Funds, а также National Science Foundation.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Capecchi, M. R. (1967) Polypeptide chain termination in vitro: isolation of a release factor, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 58, 1144-1151, doi: 10.1073/pnas.58.3.1144.

2. Capecchi, M. R., and Klein, H. A. (1969) Characterization of three proteins involved in polypeptide chain termination, Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 34, 469-477, doi: 10.1101/sqb.1969.034.01.053.

3. Scolnick, E., Tompkins, R., Caskey, T., and Nirenberg, M. (1968) Release factors differing in specificity for terminator codons, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 61, 768-774.

4. Petry, S., Brodersen, D. E., Murphy, F. V., Dunham, C. M., Selmer, M., et al. (2005) Crystal structures of the ribosome in complex with release factors RF1 and RF2 bound to a cognate stop codon, Cell, 123, 1255-1266, doi: 10.1016/j.cell.2005.09.039.

5. Laurberg, M., Asahara, H., Korostelev, A., Zhu, J., Trakhanov, S., and Noller, H. F. (2008) Structural basis for translation termination on the 70S ribosome, Nature, 454, 852-857, doi: 10.1038/nature07115.

6. Frolova, L. Y., Tsivkovskii, R. Y., Sivolobova, G. F., Oparina, N. Y., Serpinsky, O. I., et al. (1999) Mutations in the highly conserved GGQ motif of class 1 polypeptide release factors abolish ability of human eRF1 to trigger peptidyl-tRNA hydrolysis, RNA, 5, 1014-1020.

7. Seit-Nebi, A., Frolova, L., Justesen, J., and Kisselev, L. (2001) Class-1 translation termination factors: invariant GGQ minidomain is essential for release activity and ribosome binding but not for stop codon recognition, Nucleic Acids Res., 29, 3982-3987.

8. Mora, L., Heurgue-Hamard, V., Champ, S., Ehrenberg, M., Kisselev, L. L., and Buckingham, R. H. (2003) The essential role of the invariant GGQ motif in the function and stability in vivo of bacterial release factors RF1 and RF2, Mol. Microbiol., 47, 267-275.

9. Shaw, J. J., and Green, R. (2007) Two distinct components of release factor function uncovered by nucleophile partitioning analysis, Mol. Cell, 28, 458-467, doi: 10.1016/j.molcel.2007.09.007.

10. Freistroffer, D. V., Pavlov, M. Y., MacDougall, J., Buckingham, R. H., and Ehrenberg, M. (1997) Release factor RF3 in E. coli accelerates the dissociation of release factors RF1 and RF2 from the ribosome in a GTP-dependent manner, EMBO J., 16, 4126-4133, doi: 10.1093/emboj/16.13.4126.

11. Zavialov, A. V., Buckingham, R. H., and Ehrenberg, M. (2001) A posttermination ribosomal complex is the guanine nucleotide exchange factor for peptide release factor RF3, Cell, 107, 115-124, doi: 10.1016/s0092-8674(01)00508-6.

12. Baranov, P. V., Vestergaard, B., Hamelryck, T., Gesteland, R. F., Nyborg, J., and Atkins, J. F. (2006) Diverse bacterial genomes encode an operon of two genes, one of which is an unusual class-I release factor that potentially recognizes atypical mRNA signals other than normal stop codons, Biol. Direct., 1, 28, doi: 10.1186/1745-6150-1-28.

13. Heurgue-Hamard, V., Champ, S., Mora, L., Merkulova-Rainon, T., Kisselev, L. L., and Buckingham, R. H. (2005) The glutamine residue of the conserved GGQ motif in Saccharomyces cerevisiae release factor eRF1 is methylated by the product of the YDR140w gene, J. Biol. Chem., 280, 2439-2445, doi: 10.1074/jbc.M407252200.

14. Weixlbaumer, A., Jin, H., Neubauer, C., Voorhees, R. M., Petry, S., et al. (2008) Insights into translational termination from the structure of RF2 bound to the ribosome, Science, 322, 953-956, doi: 10.1126/science.1164840.

15. Korostelev, A., Asahara, H., Lancaster, L., Laurberg, M., Hirschi, A., et al. (2008) Crystal structure of a translation termination complex formed with release factor RF2, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 19684-19689, doi: 10.1073/pnas.0810953105.

16. Korostelev, A., Zhu, J., Asahara, H., and Noller, H. F. (2010) Recognition of the amber UAG stop codon by release factor RF1, EMBO J., 29, 2577-2585, doi: 10.1038/emboj.2010.139.

17. Santos, N., Zhu, J., Donohue, J. P., Korostelev, A. A., and Noller, H. F. (2013) Crystal structure of the 70S ribosome bound with the Q253P mutant form of release factor RF2, Structure, 21, 1258-1263, doi: 10.1016/j.str.2013.04.028.

18. Pierson, W. E., Hoffer, E. D., Keedy, H. E., Simms, C. L., Dunham, C. M., and Zaher, H. S. (2016) Uniformity of peptide release is maintained by methylation of release factors, Cell Rep., 17, 11-18, doi: 10.1016/j.celrep.2016.08.085.

19. Jin, H., Kelley, A. C., Loakes, D., and Ramakrishnan, V. (2010) Structure of the 70S ribosome bound to release factor 2 and a substrate analog provides insights into catalysis of peptide release, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 8593-8598, doi: 10.1073/pnas.1003995107.

20. Rawat, U. B., Zavialov, A. V., Sengupta, J., Valle, M., Grassucci, R. A., et al. (2003) A cryo-electron microscopic study of ribosome-bound termination factor RF2, Nature, 421, 87-90, doi: 10.1038/nature01224.

21. Rawat, U., Gao, H., Zavialov, A., Gursky, R., Ehrenberg, M., and Frank, J. (2006) Interactions of the release factor RF1 with the ribosome as revealed by cryo-EM, J. Mol. Biol., 357, 1144-1153, doi: 10.1016/j.jmb.2006.01.038.

22. Graille, M., Heurgue-Hamard, V., Champ, S., Mora, L., Scrima, N., et al. (2005) Molecular basis for bacterial class I release factor methylation by PrmC, Mol. Cell, 20, 917-927, doi: 10.1016/j.molcel.2005.10.025.

23. Dincbas-Renqvist, V., Engstrom, A., Mora, L., Heurgue-Hamard, V., Buckingham, R., and Ehrenberg, M. (2000) A post-translational modification in the GGQ motif of RF2 from Escherichia coli stimulates termination of translation, EMBO J., 19, 6900-6907, doi: 10.1093/emboj/19.24.6900.

24. Heurgue-Hamard, V., Champ, S., Engstrom, A., Ehrenberg, M., and Buckingham, R. H. (2002) The hemK gene in Escherichia coli encodes the N(5)-glutamine methyltransferase that modifies peptide release factors, EMBO J., 21, 769-778, doi: 10.1093/emboj/21.4.769.

25. Schmeing, T. M., Huang, K. S., Strobel, S. A., and Steitz, T. A. (2005) An induced-fit mechanism to promote peptide bond formation and exclude hydrolysis of peptidyl-tRNA, Nature, 438, 520-524, doi: 10.1038/nature04152.

26. Polikanov, Y. S., Steitz, T. A., and Innis, C. A. (2014) A proton wire to couple aminoacyl-tRNA accommodation and peptide-bond formation on the ribosome, Nat. Struct. Mol. Biol., 21, 787-793, doi: 10.1038/nsmb.2871.

27. Svetlov, M. S., Syroegin, E. A., Aleksandrova, E. V., Atkinson, G. C., Gregory, S. T., et al. (2021) Structure of Erm-modified 70S ribosome reveals the mechanism of macrolide resistance, Nat. Chem. Biol., 17, 412-420, doi: 10.1038/s41589-020-00715-0.

28. Brunelle, J. L., Shaw, J. J., Youngman, E. M., and Green, R. (2008) Peptide release on the ribosome depends critically on the 2′-OH of the peptidyl-tRNA substrate, RNA, 14, 1526-1531, doi: 10.1261/rna.1057908.

29. Youngman, E. M., Brunelle, J. L., Kochaniak, A. B., and Green, R. (2004) The active site of the ribosome is composed of two layers of conserved nucleotides with distinct roles in peptide bond formation and peptide release, Cell, 117, 589-599.

30. Polacek, N., Gomez, M. J., Ito, K., Xiong, L., Nakamura, Y., and Mankin, A. (2003) The critical role of the universally conserved A2602 of 23S ribosomal RNA in the release of the nascent peptide during translation termination, Mol. Cell, 11, 103-112.

31. Zaher, H. S., Shaw, J. J., Strobel, S. A., and Green, R. (2011) The 2′-OH group of the peptidyl-tRNA stabilizes an active conformation of the ribosomal PTC, EMBO J., 30, 2445-2453, doi: 10.1038/emboj.2011.142.

32. Gamper, H., and Hou, Y. M. (2018) tRNA 3′-amino-tailing for stable amino acid attachment, RNA, doi: 10.1261/rna.068015.118.