Translation er en proces, der involverer syntesen af en aminosyrekæde fra et mRNA-blåtryk. Disse polypeptidkæder foldes til funktionelle proteiner. Translation sker uden for kernen, når den nukleare behandling af præ-mRNA’et er afsluttet, og mRNA-molekylerne er blevet transporteret til cytoplasmaet via kerneporer. Translationen fremmes primært af ribosomer, der befinder sig på det ru endoplasmatiske retikulum, på den ydre overflade af kernehylsteret eller i cytoplasmaet.
- Initiering
- Forlængelse
- Terminering
- Recycling
En række molekylære komponenter spiller en rolle i oversættelsen, hvoraf den mest fremtrædende er ribosomet. Dette makromolekylære kompleks består af flere proteiner og rRNA-molekyler. Alle ribosomer har en lille og en stor underenhed, men sammensætningen af disse underenheder adskiller sig væsentligt fra art til art. Hos mennesker består den lille 40S-underenhed f.eks. af 33 proteiner og et enkelt 18S rRNA-molekyle, mens den store 60S-underenhed består af 47 proteiner og tre rRNA’er (5S, 5,8S og 28S) .
Trods identifikationen af 80 proteiner, der er forbundet med det menneskelige ribosom, findes der kun 34 i andre eukaryoter eller prokaryoter . Mens der er blevet foreslået generelle funktioner til ribosomassocierede proteiner, såsom stabilisering af komplekset og regulering af translation, er nogle også blevet tilskrevet co-translationel modifikation af nyligt syntetiserede proteiner (gennemgået i ).
Elongation
I modsætning til initiering, terminering og ribosomgenbrug i translationens faser er de mekanismer, der driver elongation, stærkt bevaret mellem eukaryoter og bakterier (gennemgået i ).
Kodongenkendelse
Elongering sker over flere veldefinerede trin, begyndende med genkendelse af mRNA-kodonerne af deres tilsvarende aminoacyl-tRNA. Tilknytningen til mRNA’et sker via det ribosomale A-site og påvirkes af forskellige forlængelsesfaktorer. F.eks. leverer GTPasen eEF1A aminoacyl-tRNA’er til A-stedet efter at være blevet aktiveret af eEF1B, en guaninnukleotidudvekslingsfaktor (GEF), der fremskynder dissocieringen af GDP fra eEF1A .
Peptidbindingsdannelse
Efter genkendelse af mRNA-kodonet oprettes en peptidbinding mellem aminoacyl-tRNA’et og peptidyl-tRNA’et (som er placeret i det ribosomale P-site). Denne reaktion lettes af peptidyltransferase, som i sig selv ikke er et protein, men et meget konserveret ribosomalt RNA . Mekanismen for dannelse af peptidbindinger involverer konformationsændringer på det aktive sted snarere end kemisk katalyse af ribosomale grupper og er drevet af gunstige entropiændringer .
Translokation af mRNA og tRNA’er gennem ribosomet
Når peptidbindingen er dannet, bliver A-stedet ledigt, når det peptidyl-tRNA, der besætter det, bevæger sig ind på P-stedet i den store ribosomale underenhed og samtidig erstatter et eksisterende deacyleret tRNA, der bevæger sig til E-stedet, inden det forlader ribosomet . Efterhånden som aminosyrekæden vokser, og A- og P-pladserne midlertidigt besættes af henholdsvis nye aminoacyl- og peptidyl-tRNA’er, sker der en translokation af mRNA’et gennem ribosomet.
To mekanismer, som er karakteriseret ved konformationsændringer i de ribosomale underenheder, letter mRNA- og tRNA-translokationen. Disse er kendt som “ratcheting” og “swiveling”.
Ratcheting observeres på alle translationsstadier, og ser den lille ribosomale underenhed undergå en let rotation, på ca. ~8° i forhold til den store underenhed (gennemgået i ). Dette adskiller sig fra drejning, som indebærer en bevægelse af hoveddomænet (30S) af den lille underenhed. Det er vigtigt, at svingning spiller en rolle i ribosomets iboende helikaseaktivitet, som er vigtig for afviklingen af sekundære mRNA-strukturer .
Disse mekanismer sikrer i sidste ende, at tRNA’et bevæger sig sekventielt (A-site til P-site til E-site) og muliggør dannelsen af de mellemliggende tilstande, der vides at eksistere under mRNA-tRNA-translokation. Disse tilstande, som også er kendt som hybridtilstande , kan beskrives ved hjælp af den eukaryote model som et eksempel. Her bevæger 3′-enderne af tRNA’et, der besætter A- og P-stederne, sig til at besætte P- og E-stederne i 60S-underenheden, mens 5′-enderne, der er forbundet med mRNA’et, forbliver forankret på henholdsvis A- og P-stederne i 40S-underenheden .
Disse hybridtilstande stabiliseres momentant af bindingen af eEF2-GTP (EF-G – GTP hos prokaryoter) til det ribosomale A-sted .
. Hydrolyse af GTP’en, som imidlertid formidles gennem GTPase-aktiviteten af EF-G eller eukaryote homolog eEF2, gør det muligt at fortsætte ratcheting-mekanismen og får mRNA’et og 5′-enderne af tRNA’et til at bevæge sig fra henholdsvis A- og P-stederne til P- og E-stederne. Når den kanoniske A/A, P/P/P, E/E-konformation (60S/40S) er genoprettet, dissocieres EF-G – GDP fra ribosomet og efterlader A-stedet åbent til at modtage et nyt aminoacyl-tRNA-molekyle .
GTP-hydrolyse af EF-G / eEF2 og den efterfølgende svingning af hoveddomænet hjælper yderligere med tRNA-translokation ved at forhindre enhver spontan bagudgående bevægelse af tRNA .
Initiering af translation
Det første trin i translation er kendt som initiering. Her samles de store (60S) og små (40S) ribosomale enheder til et fuldt funktionelt 80S ribosom. Dette er placeret ved startkodonet (AUG) i den mRNA-streng, der skal oversættes (gennemgået i ).
Initiering anses for at være det hastighedsbegrænsende trin i den samlede proces og reguleres og koordineres primært af en gruppe proteiner, der er kendt som eukaryote initieringsfaktorer (eIF’er) . Disse faktorer varierer i størrelse og kompleksitet; fra den enkelte 113kDa eIF1-underenhed til 700kDa eIF3-komplekset. Hos mennesker fungerer mindst 12 eIF’er i fællesskab for at regulere initieringen, og de spiller hver især en særskilt rolle, som er blevet gennemgået indgående i .
Initiationen starter med dannelsen af et ternært kompleks, der omfatter eIF2, GTP og initiator-tRNA’et (Met-tRNAi). Det ternære kompleks’ primære rolle er at levere initiatoren til 40S-underenheden, som efterfølgende etablerer et 43S-kompleks, også kaldet PIC (pre-initiationskompleks). Med hjælp fra eIF4G og eIF3 binder PIC’et sig ved eller tæt på mRNA’s 5′-terminus eller tæt på denne. Dette er markeret med en 7-methylguanosin-kappe (m7-G-cap). Når det er bundet, scanner PIC den 5′ utranslaterede region for at finde initieringskodonen .
Ledersekvensen i 5′-terminus holdes i en afviklet tilstand af helikaseaktiviteten af flere eIF’er (herunder eIF4F, eIF4G, eIF4A, eIF4B, eIF3). Når 40S-underenheden er placeret ved initieringscodonet, rekrutteres 60S-underenheden til at danne et elongationskompetent 80S-ribosom. På dette tidspunkt er mRNA-startkodonet lokaliseret i det ribosomale P-site, og hele initieringskomplekset er klar til at gå ind i elongationsfasen .
Det er vigtigt at bemærke, at 40S-underenheden kan binde til mRNA uafhængigt af m7-G-cap’en. Det mest fremtrædende eksempel på dette, som menes at forekomme i 5-10% af cellulære mRNA’er, indebærer, at 40S-underenheden binder sig til et internt ribosomindgangssted (IRES) . Andre m7-G-cap-uafhængige initieringsveje omfatter shunting , tethering , translation enhancers , et TISU-element , og en poly-adenylatleder i 5′-terminus .
Ribosomgenbrug
Det sidste trin i translation er ribosomgenbrug, hvor ribosomet splittes op i sine mindre underenhedsdele og forberedes til en ny oversættelsesrunde. Hos eukaryoter betyder det, at 80S-ribosomet deles op i sine 40S- og 60S-underenheder. Selv om dette trin markerer afslutningen af oversættelsesprocessen, kan det også ske af en række andre årsager, herunder når syntesen af polypeptidkæden mislykkes, når beskadiget mRNA påtræffes, eller efter samling af tomme ribosomer. Desuden beskrives dette trin ofte som begyndelsen af initieringen, idet det nøgleprotein, der letter ribosomsplitningen, også associeres med flere initieringsfaktorer (ABCE1 har vist sig at være associeret med eIF2, eIF3 og eIF5 i gærmodeller ).
I eukaryoter faciliteres ribosomrecirkulering primært af ABCE1 (Rli1 i gær), som er medlem af ABC-superfamilien af ATPaser. Dette protein, som besidder to nukleotidbindingsdomæner og et unikt FeS1-klyngedomæne, binder sig til post-terminationskomplekset, når RF3-GDP er dissocieret fra ribosomet. Denne forbindelse dannes gennem interaktion mellem FeS-klyngen og eRF1. Det er vigtigt, at ACBE1 også indeholder adskillige bindingssteder, der muliggør interaktioner mellem ribosomale underenheder og forskellige ribosomale proteiner. F.eks. er et HLH-motiv i det første nukleotidbindingsdomæne blevet vist at binde til 18S rRNA samt rpS24-A . Selv om den nøjagtige mekanisme, der driver ribosomal opsplitning, fortsat er uklar, foreslås det, at den i eukaryoter er resultatet af en konformationsændring i ABCE1, der induceres af ATP-hydrolyse.
Som tidligere nævnt er peptidfrigivelse ikke en forudsætning for dissociation af ribosomale underenheder eller for ABCE1-binding . Dette er vigtigt, når ribosomrecirkulering induceres som reaktion på mRNA-skader eller samling af ledige ribosomer, da der ikke vil blive påvist noget stop-codon til at initiere terminering og peptidfrigivelse. For at overvinde dette er ABCE1 i stand til at lette peptidfrigivelsen på en lignende måde som det ternære eRF1-eRF3-GTP-kompleks, og det er blevet vist, at dette sker uafhængigt af ATP-hydrolyse. Her inducerer ATP-hydrolyse en konformationsændring i eRF1, der fremmer peptidyl-tRNA-hydrolyse .
Væsentligt er det, at eRF1 og eRF3 kan være tilstrækkelige til at initiere dissociation af underenheder; dette vil dog ske med en langsommere hastighed .
Mekanismerne for genbrug i prokaryoter er forskellige fra dem i eukaryoter, med den vigtigste forskel er tilstedeværelsen af specialiseret ribosom genbrugsfaktor (RRF), der virker sammen med EF-G for at adskille de ribosomale underenheder i bakterier .
Afslutning af translation
Det næste trin i translationsprocessen er terminering. I dette trin angiver et mRNA-stopkodon, at der ikke skal tilføjes yderligere aminosyrer til det voksende protein. Terminering i eukaryoter fremmes kun af to faktorer (eRF1 og eRF3) og adskiller sig væsentligt fra processen i prokaryoter, som involverer tre faktorer (RF1, RF2 og RF3) . I eukaryoter skal to forskellige processer finde sted, for at peptidelongationen kan afsluttes med succes, nemlig peptidfrigivelse og etablering af postterminationskomplekset. I nogle tilfælde, hvor translationen skal afsluttes, før der opdages et stopkodon, kan termineringstrinnet springes over, og ribosomrecirkulationen påbegyndes tidligt. I dette tilfælde vil frigivelsen af peptidet blive lettet af ABCE1.
Termineringen udløses af, at et stopkodon (UAA, UGA eller UAG) kommer ind i det ribosomale A-site. Dette codon genkendes af en klasse 1 frigørelsesfaktor (RF1). I eukaryoter binder denne faktor (eRF1) sig til ribosomet som en del af et ternært kompleks, der på forhånd er samlet og består af eRF1, eRF3 og GTP . Stop-codonet genkendes af et bevaret motiv, der er placeret i proteinets amino-terminale ende, såsom NIKS-motivet .
eRF1 hjælper også med peptidyl-tRNA-hydrolyse og peptidfrigivelse fra peptidyltransferasecentret (PTC) . Dette sker som følge af GTP-hydrolyse af eRF3, som inducerer en konformationsændring i eRF1, der gør det muligt for dets Gly-Gly-Gln (GGQ)-motiv, som er placeret i det “midterste” (M) domæne, at komme ind i det ribosomale PTC og lette peptidyl-tRNA-hydrolysen. Denne mekanisme er anderledes hos prokaryoter, hvor peptidfrigivelse er nødvendig for og således går forud for GTP-hydrolyse af RF3 .
Efter GTP-hydrolyse og peptidfrigivelse vil RF3-GDP dissocieres fra proteinet og efterlade RF1, som forbliver bundet til ribosomet i det såkaldte post-terminationskompleks . Dette forbereder i det væsentlige ribosomet til ribosomal genanvendelse.