Глава VI

ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ И ЕЕ РЕГУЛЯЦИЯ У ПРОКАРИОТ

1. ЗНАЧЕНИЕ ИНИЦИАЦИИ ТРАНСЛЯЦИИ

Инициация в процессе биосинтеза белка означает не просто начало элонгации. Прежде всего, так как начало кодирующей последовательности мРНК не совпадает с началом пол'инуклеотидной цепи, а всегда находится, отступя от ее 5'-конца (иногда на значительное расстояние), необходимо точное узнавание первого кодона на внутренней части цепи. Это узнавание определяет не только начало полипептидной цепи, которая синтезируется, но и

ности полипептида. Другими словами, именно инициация определяет фиксированную точку на матричном полинуклеотиде, с которой начинается отсчет триплетов без запятых (см. гл. А.II).

С другой стороны, инициация является главной точкой прило-

221

жения механизмов регуляции синтеза белка на уровне трансляции. Регуляция на уровне трансляции у прокариот практически целиком сводится к разрешению или предотвращению инициации трансляции данных кодирующих последовательностей мРНК рибосомами; именно этим путем достигается избирательная или преимущественная трансляция одних мРНК или отдельных ее цистронов и выключение трансляции других. Кроме того, разная скорость инициации на разных мРНК или их цистронах определяет соотношение продукции соответствующих белков.

В связи со сказанным, существует специальный, довольно сложный механизм инициации трансляции, обеспечивающий как точное узнавание начала кодирующей последовательности и ее дальнейшую фазировку, так и возможность положительных и отрицательных регуляторных влияний.

2.ИНИЦИИРУЮЩИЕ КОДОНЫ, ИНИЦИАТОРНАЯ тРНК

ИБЕЛКОВЫЕ ФАКТОРЫ ИНИЦИАЦИИ

Инициирующие кодоны. Трансляция природных мРНК или ее отдель-

кодоны матрицы. В некоторых, еще более редких, случаях триплеты AUU и AUA также, по-видимому, могут быть инициирующими кодонами. Таким образом, инициирующий кодон — как правило, AUG —начальная точка отсчета триплетов вдоль матрицы по направлению к ее З'-концу.

Инициаторная тРНК. Инициирующие кодоны узнаются специальной инициаторной тРНК. Антикодоном этой тРНК служит CAU, который способен спариваться с инициирующим кодоном, как правило, с AUG, но также и с GUG, UUG, AUU или AUA, когда они являются инициирующими. Очевидно, здесь может иметь место необычное неканоническое спаривание по 1-му положению кодона (U • G и U • U), а также, в более редких случаях, нестрогое спаривание по 3-му положению кодона (С • А, С • U), отличающиеся от Криковского нестрогого соответствия при 3-м положении кодона в процессе элонгации. Это можно объяснить тем, что при инициации первичное кодон-антикодоновое узнавание происходит в Р-участке рибосомы, а не в А-участке, как в случае элонгации.

Структура инициаторной тРНК организована принципиально так же, как и структура обычных тРНК, хотя некоторые отличия могут быть отмечены. Например, в инициаторной тРНК 5'-конце- вой нуклеотидный остаток не спарен с противолежащим нуклеотидным остатком З'-концевого участка (рис. 114); это, по-видимому, дает большую гибкость акцепторному концу инициаторной тРНК, который, как показано рентгеноструктурным анализом, может загибаться по направлению к 5'-концу, а не продолжает спиральную организацию акцепторного черешка, как в обычных тРНК. Кроме

222

Рис. 114. Нуклеотидная последовательность и схема вторичной структуры прокариотической инициаторной тРНК (тРНК^е1, слева) в сравнении с прокариотической метиониновой тРНК, участвующей в элонгации (тРНКМе1, справа) (по S. К. Dube et al. Nature, 1968, v. 218, p. 232-233; S. Cory et al. Nature, 1968, v, 220, p. 1039-1040)

того, в инициаторной тРНК нуклеотидные остатки дигидроуридиловой петли (положения 16—17) более компактно упакованы друг с другом и с ядром тРНК, чем в обычных тРНК, где они рыхло торчат в районе угла L-образной молекулы. Интересное отличие найдено также в антикодоновой петле: хотя стэкингованная структура антикодона и двух примыкающих к нему с З'-сторо- ны пуриновых остатков очень похожа у инициаторной и у обычных тРНК, но инвариантный урацил в положении 33, примыкающий к антикодону с 5'-стороны, оказывается вывернутым наружу (а не обращенным внутрь петли и связанным с фосфатом 3-го остатка антикодона) в случае инициаторной тРНК; в связи с этим и структура самого антикодона оказывается несколько искаженной по сравнению с антикодонами других тРНК.

Инициаторная тРНК имеет сродство к обычной метионил-тРНК- синтетазе и, соответственно, акцептирует метионин в качестве аминокислоты. Таким образом, в клетке два класса тРНК оказываются ацилированными метионином: обычная тРНКМ е ', узнающая только метиониновый кодон AUG при элонгации, и инициаторная тРНК, узнающая кодон AUG, а также GUG, UUG и другие в процессе инициации. В отличие от Met-tRNAMet, инициаторная Met-tRNA является субстратом специальной формилтрансферазы, которая переносит формильную группу от формилтетрагидрофолата

223

Поэтому инициаторную тРНК, в отличие от тРНКМ е ', обычно обозначают индексом F: тРНК^е'. Именно в аминоацилированной и формилированной форме (F-Met-tRNA^et) она является инициатором трансляции. Соответственно, первым аминокислотным остатком любой синтезируемой полипептидной цепи в прокариотической рибосоме всегда является формилметионин. В последующем, в ходе элонгации формильный остаток, как правило, отщепляется формилазой; метиониновый остаток тоже часто (но не всегда) отщепляется от растущей полипептидной цепи специальной аминопептидазой.

У архебактерий, однако, инициаторная метионил-тРНК не формилирована.

Белковые факторы инициации. Существуют три специальных белка, необходимых для процесса инициации у прокариот; они получили название факторов инициации IF-1, IF-2 и IF-3.

IF-2, наоборот, крупный белок кислой природы с важной для функции SH-группой. Это —главный фактор инициации. Он выделен в двух формах, несколько различающихся по молекулярной массе:

IF-3 — белок слегка основного характера с молекулярной массой 21000—23000 дальтон; для него тоже описаны две функционально эквивалентные формы: одна —с длиной полипептидной цепи 181 аминокислотный остаток, и другая —укороченная на 6 остатков с N-конца.

3. СОСТОЯНИЕ РИБОСОМЫ ПЕРЕД ИНИЦИАЦИЕЙ

Свободные нетранслирующие 70S рибосомы в ионных и температурных условиях, благоприятных для трансляции, находятся в динамическом равновесии со своими 30S и 50S субчастицами (см. Б. V. 1):

224