TRNA-intronendonukleas

tRNA-
intronlyasidentifierare
EG nr. 4.6.1.16
CAS-nr. 117444-13-0
Databaser
IntEnz IntEnz-vy
BRENDA BRENDA inträde
ExPASy NiceZyme-vy
KEGG KEGG inträde
MetaCyc Metabolisk väg
PRIAM profil
PDB- strukturer RCSB PDB PDBe PDB summa
Sök
PMC artiklar
PubMed artiklar
NCBI proteiner

tRNA-intronlyas (EC 4.6.1.16, tRNA-intron-endonukleas , transfer-ribonukleat-intron-endoribonukleas , tRNA-splitsande endonukleas , splitsningsendonukleas , tRNATRPintron-endonukleas , transfersplitsningssystemlydonukleas- RNA-2-RNA; prettron-2 ",3" - fosfatbildande) ) är ett enzym . Som ett endonukleasenzym är tRNA-intronlyas ansvarigt för att splitsa fosfodiesterbindningar inom icke-kodande ribonukleinsyrakedjor . Dessa icke-kodande RNA-molekyler bildar tRNA- molekyler efter att ha bearbetats, och detta är beroende av tRNA-intronlyas för att splitsa pretRNA. tRNA-bearbetning är en viktig post-transkriptionell modifiering som är nödvändig för tRNA-mognad eftersom den lokaliserar och tar bort introner i pretRNA. Detta enzym katalyserar följande kemiska reaktion:

pretRNA = en 3'-halv-tRNA-molekyl med en 5'-OH-ände + en 5'-halv-tRNA-molekyl med en 2',3'-cyklisk fosfatände + en intron med ett 2',3'-cykliskt fosfat och en 5'-hydroxylterminal

Detta enzym katalyserar ett av de första stadierna i mognad av tRNA -molekyler.

Organismer från varje grupp av tredomänsystemet förlitar sig på tRNA-gener. Bakterier kräver inte klyvningsenzymer på grund av deras förmåga att självskarva . Eukaryota tRNA-intronendonukleaser antas utvecklas från arkeala tRNA-intronendonukleaser. Olika strukturer av tRNA-intronlyas har identifierats i archaea , mindre är känt om eukaryot tRNA-intronlyas. Strukturen av tRNA-intronlyas upprätthålls genom interaktioner av β-strängar av lokala subenheter och en elektrostatisk interaktion mellan en slinga och ficka på närliggande underenheter. Aktiva ställen för tRNA-intronlyas är sammansatta av tyrosin , histidin och lysin . Eukaryoter och archaea fungerar på liknande sätt och följer samma mekanism för att lokalisera oönskade introner och utföra intronsplitsning. Skarvning på både 3'- och 5'-ändarna av intronet.

tRNA-intronlyas kräver en grad av specificitet för splitsningsstället på pre-tRNA. Att ha en mutation till splitsningsstället på pre-tRNA kan hämma enzymet från att fungera på lämpliga ställen. Även om reglerande molekyler har definierats, är nuvarande kunskap om förståelse av exakta mekanismer begränsad.

Hos däggdjur, inklusive människor, är mutationer i tRNA-intronlyasgenen associerade med neurodegenerativa sjukdomar såsom Pontocerebellar Hypoplasias (PCH). Denna sjukdom leder till atrofi av lillhjärnan och pons . Detta orsakar mikrocefali , allvarlig motorisk funktionsnedsättning och allvarlig mental funktionsnedsättning .

Strukturera

Fyra typer av arkeala tRNA-intronlyasstrukturer har identifierats: α 4 , α′ 2 , (αβ) 2 och 𝜀 2 . Alla fyra strukturerna upprätthålls av två specifika interaktioner. Den första interaktionen är mellan β-strängarna av två närliggande subenheter, och den andra interaktionen är mellan L10, en negativt laddad slinga, och fickan hos en intilliggande subenhet som är positivt laddad. Alla fyra strukturerna har minst två aktiva ställen gjorda av tre aminosyror (tyrosin, histidin och lysin) som katalyserar intronsplitsningsreaktionen.

Det homotetramera tRNA-intronlyaset, α4 , som endast finns i Methanocaldococcus jannaschii , antar en rektangulär parallellepipedkonformation bestående av fyra α-subenheter med 179 aminosyror vardera. Varje α - subenhet består av fem α - helixar och blandade β - ark . Det homodimera tRNA-intronlyaset, α′ 2 , är sammansatt av två α′-subenheter som verkar vara ett fusionsprotein som består av två α-subenheter kopplade till en länk. α′ 2 -strukturen finns endast i Archaeoglobus fulgidus och Thermoplasma acidophilum . Heterotetramer (αβ) 2 -strukturen finns i Nanoarchaeum equitans , Pyrobaculum aerophilum , Aeropyrum pernix och Methanopyrus kandleri . Denna struktur är sammansatt av två katalytiska a-subenheter och två strukturella β-subenheter, med liknande funktion som båda de tidigare beskrivna strukturerna. Den sista strukturen, 𝜀 2 , är en homodimer som endast finns i Candidatus Micrarchaeum acidiphilum . Varje underenhet är sammansatt av tre mindre enheter: αN , α och βC sammanfogade av två linkers.

Mindre är känt om den eukaryota tRNA-intronlyasstrukturen. Både jäst ( Saccharomyces cerevisiae ) och mänsklig ( Homo sapience , differentierad med "T") tRNA-intronlyaser har fyra subenheter: α (Sen2/TSen2), β (Sen34/TSen34), γ (Sen15/TSen15) och ẟ ( Sen54/TSen54). Sen2- och Sen34-underenheterna spelar katalytiska roller, medan Sen15- och Sen54-underenheterna spelar reglerande roller. Även om dessa strukturer har dokumenterats väl i jästisoformer med användning av kristallografi , har endast en subenhet av det eukaryota endA-enzymet, TSen15, belysts med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi .

Strukturtyp: Domän: Arter: Oligomer: Underenheter: Underenhetssammansättning: Bild:
α 4 Archaea Methanocaldococcus jannaschii homotetramer fyra α 5 α-spiraler och blandade β-ark
Pymol-bild av α4 - strukturen i Methanocaldococcus jannaschii (PBD: 1A79).
α′ 2 Archaea Archaeoglobus fulgidus och Thermoplasma acidophilum homodimer två α′ fusionsprotein med 2 a-subenheter sammankopplade med en linker
Pymol-bild av α′ 2 -strukturen i Thermoplasma acidophilum (PBD: 2OHC).
(αβ) 2 Archaea Nanoarchaeum equitans, Pyrobaculum aerophilum, Aeropyrum pernix och Methanopyrus kandleri heterotetramer två α-subenheter och två β-subenheter blandade α-spiraler och β-ark
Pymol-bild av (αβ) 2 -strukturen i Pyrobaculum aerophilum (PBD: 2GW6).
𝜀 2 Archaea Candidatus Micrarchaeum acidiphilum homodimer två 𝜀 Tre mindre enheter (aN , α och βC ) sammanfogade av två linkers
Pymol-bild av 𝜀 2 -strukturen i Candidatus Micrarchaeum acidiphilum (PBD: 4FZ2).
αβ𝛾ẟ Eukarya Saccharomyces cerevisiae och Homo sapience heterotetramer α (Sen2/TSen2), β (Sen34/TSen34), γ (Sen15/TSen15) och ẟ (Sen54/TSen54) Sen15 länkad till Sen34 genom β6-parning
Pymol-bild av αβ𝛾ẟ-strukturen i Homo sapience , (PBD: 4FZ2).

Fungera

Bulge-helix-bulge (BHB) motiv av pre-tRNA. Intronnukleotidsekvensen visas i rött. Antikodonnukleotiderna är markerade med blå prickar. De svarta pilarna indikerar de platser där klyvning sker.

tRNA-intronendonukleaser identifierar introner längs pre-tRNA och utför den korrekta excisionsmekanismen för att avlägsna dessa introner. Alla tre livets domäner, Archaea , Bacteria och Eukarya , innehåller tRNA- gener med introner. Bakteriella pre-tRNA splitsar själv sina introner, medan Archaea och Eukarya kräver tRNA-intronendonukleaser.

Det finns två klassificerade grupper för bakteriella självsplitsande introner, grupp 1 och grupp 2. Båda grupperna använder en autokatalytisk mekanism för att avlägsna introner som involverar en sekvens av omförestringsreaktioner . De enda två skillnaderna är att grupp 1-introner använder ett fritt externt guanosin-5′-trifosfat (GTP) medan grupp 2 inte gör det, och reaktionerna i grupp 2-introner involverar bildandet av ett mellanliggande lariat.

Pre-tRNA-intronexcisionsmekanismen i Eukaryoter och Archaea delas. Det finns två olika ställen där tRNA-intronendonukleaset klyver intronen, 5'- och 3'-splitsställena. Vid 5'-änden sker klyvning typiskt vid den kanoniska positionen som är en nukleotid 3' till antikodonet . Vid 3'-änden markerar kardinalposition 2 (CP2) intron-exongränsen. I Eukarya och Archaea är antikodon-intron-interaktionen (AI) respektive bulge-helix-bulge-motivet (BHB) kritiska bestämningsfaktorer för korrekt 5′- och 3′-splitsningsplatsval. Dessutom, när dessa två kritiska bestämningsfaktorer kombineras, kan det användas för att bestämma det korrekta urvalet av skarvningsställen i arkebakterier . Vissa introner finns i olika delar av tRNA-gener, särskilt i arkeala genom, men dessa är mindre fall. En huvudskillnad i funktion mellan Eukarya och Archaea är att eukaryala endonukleaser vanligtvis kräver den mogna domänen av tRNA för att göra exakta snitt i genen, medan arkeala endonukleaser inte gör det. Efter klyvning av de två platserna resulterar tre fragment: en 3'-halv-tRNA-molekyl med en 5'-OH-ände, en 5'-halv-tRNA-molekyl med en 2',3'-cyklisk fosfatände och en intron med ett 2',3'-cykliskt fosfat och en 5'-hydroxylterminal.

Användningen av tRNA-intronendonukleas i pre-tRNA-intronexcision är bara ett av stegen för tRNA-mognad. pre-tRNA genomgår flera andra omfattande modifieringar innan det mogna tRNA är redo för användning i translation .

Evolution

Eukaryota tRNA-intronendonukleaser anses ha utvecklats från Archaeal tRNA-intronendonukleaser, mer specifikt (αβ) 2- typen. Ett sätt som detta har visats är genom bevarandet av den övergripande strukturen av arkealt endonukleas i eukaryot endonukleas; Det eukaryota endonukleaset har bara två ytterligare underenheter (𝛾 och ẟ). Ett annat sätt som detta har visats gjordes genom att studera Cyanidioschyzon Merolae , som är en eukaryot. Den eukaryota organismen hade tRNA-gener med BHB-motiv som endast finns i archaea och de eukaryala endonukleaserna kan känna igen och klyva BHB-motiven in vitro.

Ett konvergent evolutionärt samband har också hittats mellan tRNA-intronendonukleas- och RNas A-familjerna. RNas A är ett annat enzym som katalyserar klyvningen av P-O5'-bindningen av RNA specifikt efter pyrimidinrester, vilket liknar hur tRNA-intronendonukleaser fungerar och reagerar. Den N-terminala domänen och C-terminala domänen av endonukleaserna liknar de katalytiska domänerna av LAGLIDADG respektive PD-(D/E)XK DNaserna. Detta stöder uppfattningen om konvergent evolution mellan endonukleas- och RNas A-familjerna eftersom ingen av de andra RNas-familjerna har visat sig vara något liknande.

förordning

Specificitet

TRNA-Ala yeast.svg

Förståelsen av regleringen av eukaryot tRNA-splitsande endonukleas är begränsad, men det finns olika nödvändiga villkor för igenkänning av splitsningscitat. Endonukleaset är beroende av exoner i pre-tRNA för att bestämma splitsningsställen. Endonukleasenzymer känner igen mogna domäner i eukaryot pre-tRNA och bestämmer avståndet från splitsningsstället . RNA-endonukleas har visat sig ha bevarat basparning till vissa introner, trots tidigare antaganden om att introner inte var en del av dess funktion. Parning vid dessa intronställen är nödvändig för fortsättningen av skarvningsprocessen. Omvänt kräver igenkänning av splitsningsställen i archaea tRNA endast närvaron av ett bulb-helix-bulb- motiv . När de katalytiska subenheterna av endonukleaset känner igen splitsningsställen i pre-tRNA, uppmanas en strukturell förändring att tillåta splitsning.

Reglerande molekyler

En nyligen genomförd studie har identifierat en negativ regulator av splitsning hos människor. Det visade sig att tRNA-skarvningsendonukleaset hos människor reagerar med ett polynukleotidkinas känt som CLP1. Den exakta mekanismen som CLP1 följer är inte helt klarlagd, men mutationer till CLP1 är kända för att orsaka neurodegenerativa störningar som liknar de som orsakas av tRNA-splitsning av endonukleas. När CLP1 inte renas av endonukleas, fungerar det som en negativ modulator för ligering av exoner Detta hämmar ett fullbordat mognadssteg av tRNA-bildning som tRNA-splitsning av endonukleas ansvarar för. Mekanismen skulle sluta vid intronklyvning. Denna regulator tros begränsa eller störa fortsättningen av RNA-bearbetning.

Pontocerebellär hypoplasi

Side by side image of patient with average sized brain, and patient with smaller brain due to microcephaly.
Bild från en MRT av en patient med mikrocefali, ett av symptomen på Pontocerebellar Hypoplasi.

Mutationer i specifika subenheter av eukaryot tRNA-intronlyas är associerade med pontocerebellära hypoplasier . Utvecklingen av denna neurodegenerativa sjukdom härrör från mutationer i TSen54 (ẟ) subenheten, TSen2 (α), TSen34 (β) och, mer nyligen, TSen15 (γ). Denna mutation förekommer inte i eukarya på lägre nivå, bara däggdjur.

Pontocerebellära hypoplasier (PCH) är en grupp neurodegenerativa störningar som inkluderar atrofi av lillhjärnan och pons , mikrocefali , allvarlig motorisk funktionsnedsättning och allvarlig mental funktionsnedsättning. Det finns fem subtyper av PCH, varav två (PCH2 och PCH4) är kopplade till mutationer i eukaryot tRNA-intronlyas. PCH2 är associerat med symtom på dystoni och spasticitet , medan PCH4 är associerat med tidig dödlighet och ett allvarligare sjukdomsförlopp.

Den vanligaste mutationen som hittas hos patienter med PCH2 och PCH4 är en 919G>T-mutation i TSen54-subenheten, vilket leder till en substitution vid position 307 av alanin med serin. Denna mutation orsakar destabilisering av β-β-interaktionen, vilket förändrar förmågan att bilda heterotetrameren. Utvecklingen av PCH från denna destabilisering är inte välkänd, men det tros vara resultatet av neuronal känslighet för förändringar i tRNA -nivåer. Många neuronala sjukdomar beror på förändringar i tRNA- och mRNA-bearbetning, och denna TSen54-subenhetsmutation kan störa tRNA-bearbetningsvägen.

Andra orsaker till PCH2 och/eller PCH4 inkluderar andra TSen54- punktmutationer (Q246X, Q343X, S93P), mutationer på TSen34 (R58W) och mutationer på TSen2 (Y309C). TSen15 identifierades också som en potentiell orsak till PCH2, med patogena mutationer som påverkar Trp76, His116 och Tyr152.

  1. ^    Attardi DG, Margarit I, Tocchini-Valentini GP (december 1985). "Strukturella förändringar i mutanta prekursorer av jäst-tRNALeu3-genen som beter sig som defekta substrat för ett mycket renat splitsningsendoribonukleas" . EMBO Journal . 4 (12): 3289-3297. doi : 10.1002/j.1460-2075.1985.tb04079.x . PMC 554656 . PMID 3937725 .
  2. ^    Peebles CL, Gegenheimer P, Abelson J (februari 1983). "Precis excision av mellanliggande sekvenser från prekursor-tRNA av ett membranassocierat jäst-endonukleas". Cell . 32 (2): 525–536. doi : 10.1016/0092-8674(83)90472-5 . PMID 6186398 . S2CID 5711217 .
  3. ^   Thompson LD, Brandon LD, Nieuwlandt DT, Daniels CJ (januari 1989). "Överför RNA-intronbearbetning i de halofila arkebakterierna". Canadian Journal of Microbiology . 35 (1): 36–42. doi : 10.1139/m89-006 . PMID 2470486 .
  4. ^ a b c   Thompson LD, Daniels CJ (december 1988). "Ett tRNA(Trp)-intronendonukleas från Halobacterium volcanii . Unika substratigenkänningsegenskaper" . Journal of Biological Chemistry . 263 (34): 17951–17959. doi : 10.1016/S0021-9258(19)81308-X . PMID 3192521 .
  5. ^ a b c    Song J, Markley JL (februari 2007). "Tredimensionell struktur bestämd för en subenhet av humant tRNA-splitsande endonukleas (Sen15) avslöjar ett nytt dimeriskt veck" . Journal of Molecular Biology . 366 (1): 155–164. doi : 10.1016/j.jmb.2006.11.024 . PMC 1865571 . PMID 17166513 .
  6. ^ a b c d e f g h i    Hirata A (2019). "Senaste insikter i strukturen, funktionen och utvecklingen av RNA-splitsande endonukleaser" . Gränser i genetik . 10 : 103. doi : 10.3389/fgene.2019.00103 . PMC 6379350 . PMID 30809252 .
  7. ^ a b c d    Phizicky EM, Hopper AK (september 2010). "tRNA biologi laddar till fronten" . Gener & utveckling . 24 (17): 1832–1860. doi : 10.1101/gad.1956510 . PMC 2932967 . PMID 20810645 .
  8. ^ a b    Xue S, Calvin K, Li H (maj 2006). "RNA-igenkänning och klyvning genom ett splitsningsendonukleas". Vetenskap . 312 (5775): 906–910. Bibcode : 2006Sci...312..906X . doi : 10.1126/science.1126629 . PMID 16690865 . S2CID 26725477 .
  9. ^ a b    Mitchell M, Xue S, Erdman R, Randau L, Söll D, Li H (september 2009). "Kristallstruktur och sammansättning av det funktionella Nanoarchaeum equitans tRNA splitsande endonukleas" . Nukleinsyraforskning . 37 (17): 5793–5802. doi : 10.1093/nar/gkp537 . PMC 761253 . PMID 19578064 .
  10. ^    Tocchini-Valentini GD, Fruscoloni P, Tocchini-Valentini GP (oktober 2005). "Samevolution av tRNA-intronmotiv och tRNA-endonukleasarkitektur i Archaea" . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 102 (43): 15418–15422. Bibcode : 2005PNAS..10215418T . doi : 10.1073/pnas.0506750102 . PMC 1266117 . PMID 16221764 .
  11. ^ a b c d e    Lopes RR, Kessler AC, Polycarpo C, Alfonzo JD (maj 2015). "Skärning, tärning, läkning och försegling: molekylär kirurgi av tRNA" . Wiley tvärvetenskapliga recensioner. RNA . 6 (3): 337–349. doi : 10.1002/wrna.1279 . PMC 4397177 . PMID 25755220 .
  12. ^ a b c d e f    Tocchini-Valentini GD, Fruscoloni P, Tocchini-Valentini GP (mars 2011). "Evolution av introner i den arkeiska världen" . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 108 (12): 4782–4787. Bibcode : 2011PNAS..108.4782T . doi : 10.1073/pnas.1100862108 . PMC 3064391 . PMID 21383132 .
  13. ^ a b    Yoshihisa T (2014-07-10). "Hantera tRNA-introner, arkealt sätt och eukaryot sätt" . Gränser i genetik . 5 : 213. doi : 10.3389/fgene.2014.00213 . PMC 4090602 . PMID 25071838 .
  14. ^ a b c d    Bujnicki JM, Rychlewski L (mars 2001). "Ovanlig evolutionär historia av tRNA-splitsande endonukleas EndA: förhållande till LAGLIDADG och PD-(D/E)XK deoxiribonucleases" . Proteinvetenskap . 10 (3): 656–660. doi : 10.1110/ps.37101 . PMC 2374129 . PMID 11344334 .
  15. ^    Messmore JM, Fuchs DN, Raines RT (augusti 1995). "Ribonukleas a: avslöjar struktur-funktionsrelationer med semisyntes" . Journal of the American Chemical Society . 117 (31): 8057–8060. doi : 10.1021/ja00136a001 . PMC 3137125 . PMID 21732653 .
  16. ^ a b    Popow J, Schleiffer A, Martinez J (augusti 2012). "Mångfald och roller för (t)RNA-ligaser" . Cellulära och molekylära livsvetenskaper . 69 (16): 2657–2670. doi : 10.1007/s00018-012-0944-2 . PMC 3400036 . PMID 22426497 .
  17. ^ a b c    Hayne CK, Schmidt CA, Haque MI, Matera AG, Stanley RE (augusti 2020). "Rekonstitution av det humana tRNA-splitsande endonukleaskomplexet: insikt i regleringen av pre-tRNA-klyvning" . Nukleinsyraforskning . 48 (14): 7609–7622. doi : 10.1093/nar/gkaa438 . PMC 7641302 . PMID 32476018 .
  18. ^ a b c   Abelson J, Trotta CR, Li H (maj 1998). "tRNA-skarvning" . Journal of Biological Chemistry . 273 (21): 12685–12688. doi : 10.1074/jbc.273.21.12685 . PMID 9582290 .
  19. ^ a b c d    Budde BS, Namavar Y, Barth PG, Poll-The BT, Nürnberg G, Becker C, et al. (september 2008). "tRNA-splitsande endonukleasmutationer orsakar pontocerebellär hypoplasi". Naturgenetik . 40 (9): 1113–1118. doi : 10.1038/ng.204 . PMID 18711368 . S2CID 205345070 .
  20. ^ a b c d    Sekulovski S, Devant P, Panizza S, Gogakos T, Pitiriciu A, Heitmeier K, et al. (september 2021). "Monteringsdefekter av humant tRNA-splitsande endonukleas bidrar till försämrad pre-tRNA-bearbetning vid pontocerebellär hypoplasi" . Naturkommunikation . 12 (1): 5610. Bibcode : 2021NatCo..12.5610S . doi : 10.1038/s41467-021-25870-3 . PMC 8479045 . PMID 34584079 .
  21. ^    Breuss MW, Sultan T, James KN, Rosti RO, Scott E, Musaev D, et al. (juli 2016). "Autosomal-recessiva mutationer i tRNA-splitsningsendonukleassubenheten TSEN15 orsakar Pontocerebellar Hypoplasi och progressiv mikrocefali" . American Journal of Human Genetics . 99 (1): 228–235. doi : 10.1016/j.ajhg.2016.05.023 . PMC 5005448 . PMID 27392077 .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=TRNA-intron_endonuclease&oldid=1104234996 "