Die Translation, ein Prozess, der die genetische Information von der Boten-RNA (mRNA) zum Protein ausdrückt, ist für die Aufrechterhaltung der zellulären Proteinhomöostase von entscheidender Bedeutung. Um funktionelle Proteine zu synthetisieren und toxische Translationsprodukte zu vermeiden, ist die Erkennung des korrekten Initiationscodons (AUG) durch die kleine ribosomale Untereinheit entscheidend.
In den 1980er Jahren schlug Marilyn Kozak die berühmte „Erste-AUG-Regel“ vor, die besagt, dass das am weitesten stromaufwärts gelegene (dh 5′) AUG-Triplett vorzugsweise als primäres Initiationscodon verwendet wird; Das Einfügen eines zusätzlichen AUG-Tripletts stromaufwärts (uAUG) des annotierten AUG-Tripletts (aAUG) kann die Translationsinitiation am aAUG signifikant verringern.
Basierend auf diesen Beobachtungen wurde das „strikt unidirektionale Scanning-Modell“ entwickelt und allgemein in Lehrbüchern der Molekularbiologie eingeführt. Dieses Modell behauptet, dass während der eukaryotischen Translationsinitiation die kleine ribosomale Untereinheit ausschließlich in der 5′-3′-Richtung scannt; wenn „leckendes Scannen“ auftritt, wird die Übersetzung von der nachfolgenden AUG initiiert und so weiter.
Forscher um die Gruppe von Prof. Qian Wenfeng am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben die First-AUG-Regel und das streng unidirektionale Scanning-Modell in Frage gestellt. Ihre Daten zeigten, dass die kleinen ribosomalen Untereinheiten 5′–3′- und 3′–5′-Oszillationen mit kleiner Amplitude (einige bis ein Dutzend Basen) mit einer Netto-5′–3′-Bewegung verwenden, um das AUG-Codon und damit die Konkurrenz zu suchen existiert zwischen eng beabstandeten AUGs für die Translationsinitiierung.
Die Forscher beobachteten zunächst, dass nicht nur uAUGs, sondern auch die proximalen Out-of-Frame-Downstream-AUGs (dAUGs) die Translationsinitiierung des aAUGs hemmen können.
Um die Rolle von dAUGs systematisch zu untersuchen, konstruierten sie eine duale ATG-Reporterbibliothek mit 13.437 Hefevarianten, von denen jede ein ATG-Triplett an einer zufälligen Position innerhalb der 30-nt-abwärts gelegenen Region des aATG eines Reportergens, dem grünen, erzeugte fluoreszierendes Protein (GFP). Anschließend ermittelten sie im Hochdurchsatzverfahren für jede Variante das entsprechende GFP-Niveau.
Die Ergebnisse zeigten, dass dAUGs außerhalb des Rahmens die Translationsinitiation am aAUG hemmen konnten, jedoch mit abnehmender Stärke über einen zunehmenden Abstand zwischen aAUG und dAUG, jenseits von ~17 nt nicht nachweisbar. Diese Beobachtungen legten nahe, dass Ribosomen häufig in 3′-5′-Richtung scannen, da die Ribosomen, die die Translation bei aAUG initiiert haben könnten, von einem dAUG zurückgehalten zu werden schienen.
In Übereinstimmung mit der Vorhersage des bidirektionalen Scanning-Modells beobachteten die Forscher auch, dass die hemmende Wirkung von uAUG positionsabhängig ist: Die GFP-Intensitäten nahmen mit abnehmendem uAUG-aAUG-Abstand zu.
Die Forscher simulierten den Scanprozess weiter mit einem modifizierten Random-Walk-Modell, das auf den massiven GFP-Intensitätsdaten basiert, die in den Hochdurchsatzexperimenten gewonnen wurden, und schätzten die Bewegungsparameter des Scanmodells mit einem Markov-Chain-Monte-Carlo-Algorithmus.
Die Ergebnisse zeigten, dass jedes Triplett im Durchschnitt ungefähr zehnmal vom Ribosom gescannt wurde, was zu einer Nettoleckrate von 8 % für ein AUG-Triplett führte, obwohl die durchschnittliche Leckrate jedes einzelnen Scans für ein AUG-Triplett 77 % betrug.
Das Vorhandensein von proximalem Out-of-Frame-dATG kann zu einer verringerten Translationseffizienz von funktionellen Proteinen und einer erhöhten Synthese von potenziell zytotoxischen Peptiden führen, ein Effekt, der wiederum die Evolution von Sequenzen stromabwärts von aATG beeinflussen sollte.
Die Forscher beobachteten dann, dass die Anzahl der Out-of-Frame-dATGs mit der Entfernung vom aATG in Hefe- und menschlichen Genomen allmählich zunahm, was darauf hindeutet, dass der bidirektionale Scanprozess ein allgemeiner Mechanismus ist, der die Evolution eukaryotischer Genome antreibt.
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Ke Li u. Genombiologie (2022). DOI: 10.1186/s13059-022-02829-1