设置转译速度

生物谷,2012-06-18

细菌中的转译速度根据mRNA模板的序列而变化。一种被广泛认可的假设预测，同义编码mRNA能够以不同的速度转译是因为短暂的核糖体停止发生在被罕见tRNA解码的密码子上。然而，有意见认为tRNA的丰度并非是在活体内限制转译速度的唯一因素。Weissman和同事如今发现，mRNA编码区域内的序列——类似于Shine–Dalgarno（SD）序列——是细菌中转译暂停的主要原因。

作者利用核糖体分析——一种最近开发的基于核糖体保护mRNA片段深度测序的技术——绘制了核糖体沿着大肠杆菌和枯草芽孢杆菌mRNA的全基因组分布图。这种方法使得他们能够推断核糖体在不同模板中的传送时间。他们观察到核糖体的密度沿着蛋白质编码区域变化了超过10倍，出乎意料的是，当细胞在营养丰富的条件下被培养时，在核糖体A位点（在这里被出现的tRNA所解码）中的密码子密度对平均核糖体占用只有轻微影响。 为了更好理解有助于慢速转译的mRNA序列特征，作者分析了编码区域中的特殊三核苷酸序列与核糖体占用之间的关联。典型的SD序列是一个富含嘌呤的结构，能够在转译开始时与16S rRNA的互补的反SD序列杂交。在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中，一种强烈的关联被发现与类似于SD结构（SD类似的序列）的编码序列有关，并且当这样的序列被置于核糖体A位点上游时，其位置与一个来自起始密码子的典型SD序列的最佳距离相一致，这种情况又有所提高。

额外的核糖体占用可能缘于真正的延伸核糖体暂停或新形成核糖体试图的内部启动。为了区分这两种可能性，一个正交核糖体（O-核糖体）系统被用在野生型核糖体和O-核糖体被联合表达的情况下。O-核糖体被设计同一个改变了的反-SD以及包含一个类似正交SD（O-SD）序列的专有转译mRNA在一起。由于野生型核糖体不会与O-SD序列杂交，从而使作者能够在lacZ mRNA中特别识别出在类似于O-SD结构的内部序列中的O-核糖体暂停。与野生型核糖体不同，密度峰值被发现当O-核糖体被使用时出现在O-SD结构中，从而提供了证据，表明在转译过程中，延伸核糖体在内部SD样序列中暂停。

转译速度是控制细菌生长速度的一个主要因素。因此，作者分析了大肠杆菌中内部SD样序列的全球性分布，进而发现它们很少出现在蛋白编码基因中，从而导致了一个建议，即选择相反的SD样序列会驱使密码子在细菌中的选择。就像预期的那样，富含嘌呤的密码子通常是偏低的，并且类似于SD序列的密码子对在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的基因组中非常罕见。尽管这些序列似乎被反向选择了，密码子选择被编码蛋白质的特定氨基酸需求所抑制，同时SD样序列被估计是导致约70%强烈核糖体暂停的原因。

这些发现使重新评估我们对于转译速度控制的理解成为必需。此外，在这两个不同物种中观察到的与这些蛋白质编码基因相反的偏向选择表明，在细菌中，避免反-SD-调节暂停可能比驱动密码子选择中的tRNA丰度更为重要。这些发现为探究其他细胞进程如何受到转译速度的影响奠定了基础，例如转录和联合转译蛋白质的折叠。