Cấu trúc tinh thể ribosome và sự tổng hợp protein potx

Cấu trúc tinh thể
ribosome và s
ự tổng
hợp protein





Sự khởi đầu dịch mã
và chuyển vận
protein là hai quá
trình bắt đầu và kết
thúc tiến trình tổng
hợp protein. Trong một bài báo
đăng trên tờ Structure số ra
tháng 11 năm 2005, Boehringer


và cộng sự đã cung cấp mô hình
chung đầu tiên về sự tương tác
của tiểu đơn vị 80S ribosome và
HCV IRES. Trong bài thứ hai
cũng trên cùng tạp chí,
Schlünzen và cộng sự đã mô tả
cấu trúc của tiểu đơn vị 50S
ribosome của vi khuẩn với vùng
gắn ribosome của nhân tố kích
họat (trigger factor TF) với
những kết luận đáng kinh ngạc
về chức năng của TF.

Sự sinh tổng hợp protein có liên
quan chặt chẽ với sự điều hoà phản
ứng hình thành liên kết peptide
trong bộ máy có độ phức tạp rất
cao – ribosome. Trong vài năm
nay, các cấu trúc của ribosome đã
cung c
ấp những hiểu biết sâu sắc về
cách mà ribosome làm việc. Tuy
nhiên, những cấu trúc đã được giải
quyết và các cấu trúc được tái xây
dựng từ kính hiển vi điện tử
nghiệm lạnh (gọi tắt là cấu trúc
cryo-EM – xem giải thích về cryo-
EM tại
/>ain/art.asp?articlekey=24623) đ
ể lại
nhiều lỗ hổng trong kiến thức của
chúng ta về những bước cơ bản
trong dịch mã. Ví dụ, chúng ta chỉ
mới bắt đầu hiểu biết các cơ chế
của sự khởi đầu dịch mã và cơ sở
cấu trúc của sự cuộn gấp prot
ein và
sự chuyển vận ở mức độ đồng dịch
mã. Trong bài này, hai nhóm
nghiên cứu đã thể hiện những tiến
bộ quan trọng trong các lĩnh vực
này.

Ở Eukaryote, nhiều bộ máy dịch
mã đã bị virus RNA chiếm lấy như
là một phần của chu trình sống của
chúng. Sự tiếp quản thường liên
quan đến những nhân tố cis (hoạt
động theo dạng cis) nằm trong
vùng 5’ không dịch mã của mRNA
virus, gọi là các vị trí đi vào bên
trong ribosome (internal ribosome
entry sites - IRES). IRES của virus
đưa tiểu đơn vị 40S tiến vào chính
xác codon khởi đầu mà không cần
bổ sung đầy đủ các nhân tố khởi
đầu còn lại. Những IRES cho phép
virus bỏ qua nhiều cơ chế bảo vệ
của tế bào mà nó làm tắt sự khởi
đầu dịch mã ph
ụ thuộc mũ 5’ khi bị
nhiễm hay dưới những điều kiện
stress khác. Ví dụ, nhân tố IRES
của virus viêm gan C (HCV) chỉ
đòi hỏi tối thiểu eIF3, eIF2 và
eIF5B để khởi đầu dịch mã.

Cơ sở phân tử cho sự khởi đầu dựa
vào IRES của HCV hiện chỉ mới
bắt đầu được tập trung nghiên cứu.
Nhiều nhóm đã phân rã IRES của
HIV có kích thước khỏang 340

nucleotide thành nhiều tiểu v
ùng và
xác định cấu trúc của chúng bằng
NMR và tia X. Những cấu trúc này
đã cung cấp những chi tiết ở mức
độ nguyên tử về cách các phần của
IRES cuộn gấp. Tất nhiên nếu
không có những đối tác tương tác
chính xác – eIF3 và tiểu đơn v
ị 40S
– những cấu trúc tiểu vùng này
không thể hiện cấu hình mang ch
ức
năng của IRES. Một cấu trúc cryo-
EM của phức hợp IRES HCV-tiểu
đơn vị 40S đã được xác định vào
khoảng 20 Å, hé mở rằng khi IRES
có độ dài đầy đủ gắn lên thì đồng
thời sẽ khóa vị trí thóat của
mRNA.

Boehringer và cộng sự hiện đã
"tháo gỡ" được những bước sau
cùng của sự khởi đầu dịch mã liên
quan IRES ở HCV. Các tác giả giữ
IRES HCV trên ribosome 80S của
người ngay tại thời kỳ chuyển tiếp
từ lúc khởi đầu đến lúc kéo dài
bằng cách dùng
cycloheximide, cho

phép h
ọ thu nhận cấu trúc của phức
hợp có độ phân giải 20 Å bằng kỹ
thuật cryo-EM. Dùng các cấu trúc
có độ phân giải ở mức độ nguyên
tử của các tiểu vùng IRES và một
mô hình của tiểu đơn vị 40S nấm
men dựa xây dựng bằng kỹ thuật
cryo-EM, các tác giả xây dựng một
mô hình tổng quát cho việc IRES
HCV gắn vào ribosome (xem hình
1)



(A) Hình minh họa phức hợp khởi
sự IRES của HIV và tiểu đơn vị 80S

của người dựa trên kỹ thuật cryo-
EM. Đầu tiểu đơn vi6 nhỏ, rãnh và
vị trí để RACK1 gắn vào được chỉ
rõ. Vùng II của IRES (PDB m
ã hóa
1P5P) tương tác với cánh L1 trên
tiểu dơn vị 60S. các tọa độ PDB
được sử dũng để làm mẫu cho các
vùng khác của IRES cũng được mô
tả chi tiế.Tiểu đơn vị lớn (60S) m
àu
xanh dương; ti

ểu đơn vị nhỏ (40S)
màu vàng; IRES của HIV m
àu xanh
lá câu.

(B) Mô hình cận cảnh cấu trúc dựa
trên tia X của phức hợp tiểu đơn
vi50S và TF-BD của D.
radiodurans. Khe rãnh kỵ thủy,
màu xám, mở cho TF-BD gắn lên
tiểu đơn vị 50S được chỉ định bằng
muỗi tên. Chuỗi polypeptide sơ
sinh rời khỏi kênh thóat và đi vào
khe rãnh kỵ thủy. Tiểu đơn vị lớn
(50S) màu xanh dương; TF-BD
hoặc đuôi TF màu hồng da cam,
đầu và đuôi của TF nằm trong
ph
ức hợp màu đỏ.

Trong cấu trúc của phức hợp IRES
HCV/ribosome 80S, IRES tương
tác với phần cánh tay L1 của tiểu
đơn vị lớn 60S. Sự quan sátn
ày khá
là hấp dẫn, khi sự tương tác này
mang một vài điểm tương đ
ồng với
sự tương tác của IRES của virus
gây liệt ở dế với vùng cánh tay L1,

mà các chức năng khác là khác bi
ệt
hoàn toàn. Phần cánh tay L1 di
chuyển ở một bên trong suốt sự
chuyển vị tRNA và mRNA, cho
thấy rằng IRES được sử dụng cho
chức năng bình thường của phần
cánh tay L1 để thuận tiện cho việc
loại bỏ IRES sau khi khởi sự.

Hai khía cạnh của cấu trúc cryo-
EM này sẽ cần thêm các nghiên
cứu thực nghiệm trong tương lai.
Đầu tiên, phức hợp được bắt giữ
này thiếu các tRNA gắn. Đây là
một điều đáng ngạc nhiên, khi nó
được mong đợi là được nhìn thấy
tRNA gắn vào vị trí P trong phức
hợp khởi sự. Thứ hai, phức hợp
80S-IRES có sự gắn protein điều
hoà RACK1 ở mức độ thấp.
RACK1 gắn vào phần đầu của tiểu
đơn vị nhỏ của ribosome và đáp
ứng như là một mối liên kết giữa
tín hiệu điều hoà tế bào và sự dịch
mã. Vai trò chính xác của RACK1
trong con đường tín hiệu vẫn chưa
được biết rõ, và vai trò c
ủa nó trong
hiệu quả dịch mã từ IRES HCV

vẫn chưa được khám phá.

Một ít giây sau khi sự dịch mã bắt
đ
ầu, chuỗi polypeptide mới sinh bắt
đầu xuất hiện từ một lối ra (kênh
thóat) trên ribosome. Sự xuất hiện
này là một sự kiện lớn cho bất kỳ
protein nào và sẽ xác định số phận
sau cùng của nó. ở vi khuẩn, hai hệ
thống riêng biệt tương tác v
ới lối ra
trên ribosome để đưa đến sự cuộn
gấp và chuyển vận protein ngay
đồng thời với quá trình dịch mã
các
protein này. Thành phần nhận biết
tín hiệu (signal recognition particle
– SRP) nhận diện chuỗi mới sinh
ban đầu mà nó sẽ trở thành các
protein trong màng. Còn chuỗi mới
sinh mà điểm cuối của nó là tế bào
chất hay đi đến quá trình tiết sau
dịch mã được nhận ra bởi các nhân
tố khởi sự (TF), một chaperone đa
chức năng hoạt động bổ trợ với
chaperone DnaK.

Vào năm ngoái, các cấu trúc của
TF đơn độc và vùng gắn ribosome

của TF mà nó sẽ gắn với tiểu đơn
vị 50S của Archae đã cung cấp
hình ảnh cấu trúc đầu tiên về cách
mà TF giúp sự cuộn gấp protein
của chuỗi polypeptide mới sinh.
Dùng cấu trúc TF-BD/tiểu dơn vị
50S của Archae như một bản mẫu,
Ferbitz và cộng sự đề xuất một mô
hình trong đó TF hình thành “nôi”
kị thủy phủ lên lối ra. Cái nôi này
giúp protein cuộn gấp bằng cách
phủ quanh nó một thể tích có kích
cỡ xấp xỉ bằng vùng protein đơn.

Cấu trúc được công bố của TF để
lại hai vấn đề chưa đư
ợc giải quyết.
Đầu tiên, cấu trúc của TF-BD trên
tiểu đơn vị 50S của Archae liên
quan đến một hệ thống dị thể.
Archae sử dụng một chaperone
khác biệt hoàn toàn để bắt đầu sự
cuộn gấp protein, đó là phức hợp
trợ giúp với chuỗi polypeptide mới
sinh (nascent polypeptide-
associated complex). Có thể như là
kết quả của bản chất dị thể của
phức hợp, chỉ khoảng 40 amino
acid của TF-BD có thể thấy được
trong trúc đ

ồng tinh thể (cocrystal),
điều này đưa đến câu hỏi về mục
đích đầy đủ của tương tác TF-
BD/50S. Th
ứ hai, một sự loại bỏ cả
hai yếu tố TF và DnaK d
ẫn tới kiểu
hình gây chết có thể được cứu chỉ
bởi một mình TF-BD. Cấu trúc
nguyên thuỷ cung cấp sự giải thích
chưa rõ ràng về cách mà dạng bị
cắt cụt của TF có thể đền bù cho s
ự
mất cả cặp yếu tố này.

Hai nhóm nghiên cứu của
Schlünzen và Yohath đã độc lập
cung cầp những cái nhìn về việc
TF-BD gắn với tiểu đơn vị 50S của
vi khuẩn trong một phức hợp đồng
thể, với một vài kết quả bất ngờ.
Đầu tiên, gần như (hơn 100 acid
amin của 112 acid amin) toàn bộ
các TF-BD có thể được nhìn thấy
trong các bản đồ mật độ electron
của các protein. Điều này cho phép
các tác giả xây dựng mô hình
nguyên vẹn TF gắn với ribosome
theo một cách khắt khe hơn. Đáng
chú ý là tương tác giữa TF-BD và

một vòng thòng lọng dài của
protein ribosome L24 th
ực tế có thể
ngăn chặn cái "nôi" phân tử nằm
giữa TF-BD và ribosome. Thứ hai,
sự cuộn gấp của TF-BD thay đổi
đột ngột khi tiểu đơn vị 50S gắn
vào, mở ra một khe kỵ thủy chạy
suốt chiều dài của domain. Các tác
giả đề xuất rắng khe này, tương
ứng với sự bảo tồn acid amin cao,
có thể gắn với những phần kị nước
của chuỗi mới sinh một cách trực
tiếp. Một tương tác như v
ậy sẽ giúp
giải thích cho việc TS-BD giải cứu
kiểu hình gây ch
ết trong đột biến cả
hai yếu tố TF và DnaK. Các tác giả
kết luận những phân tích của họ
bằng một đề xuất đáng chú ý là
TF-BD có thể gắn với chuỗi tín
hiệu trong một cách bổ trợ với
SRP. Có một ít bằng chứng cấu
trúc và sinh hoá được cung câp,
nhưng quan điểm rằng SRP và TF
có thể tương tác đồng thời với c
ùng
một chuỗi mới sinh chắc chắn là
một thử nghiệm đáng giá.