Кодон-аниколоновое спаривание. Модель взаимодействующих кодон-антикодоновых дуплексов, находящихся в А- и Р-участках рибосомы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

РГ6 од

МОСКОёСКИй' ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ и*. М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ВЯНЦЛОВАС ЧЕСЛОВАС

УДК 547.963.3

КОДОН-АНТИКОДОНОВОЕ СПАРИВАНИЕ. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ КОДОН-АНТИКОДОНОВЫХ ДУПЛЕКСОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В А- И Р-УЧАСТКАХ РИБОСОМЫ

02.00.10 - биоорганическая химия, химия природных и физиологически активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Институте белка РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук В. И. ЛИМ

Официальные опоненты:

доктор химических наук М. Я. КАРПЕЙСКИЙ кандидат химических наук О. А. ДОНЦОВА

Ведущая организация: Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН

Ж <000 .-А

Защита диссертации состоится __/ _ 1993г. в _/±

часов на заседании специализированного совета Д 053.05.47 по химическим наукам при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899. Москва. ГСП-3^ В-234, Ленинские горы. МГУ. Лабораторный корпус "А", аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ.

Автореферат разослан

Л0„ Ьс-иХ

1993г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук

И.Г.Смирнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во всех живых клетках белки синтезируются рибосомами. Одним из ключевых моментов биосинтеза белка в рибосоме является спаривание кодона мРНК с антикодоном соответствующей аминоацил-тРНК. За последние годы стало очевидным, что кодон-антикодоновое спаривание в аминоацил-тРНК-сжязывающем участке (А-участке) рибосомы нельзя свести только к образованию водородных связей между антипараппепьиьми тринуклеотидами (кодоном и антикодоном). Однако пока неизвестны ни детальная структура рибосомы, ни точное расположение в ней лигандоэ, участвующих в трансляции (молекул тРНК, мРНК, факторов трансляции). По этой причине до сих пор остается открытым вопрос о том. какие факторы и каким образом воздействуют на кодон-антикодоновое спаривание в рибосоме. В этой ситуации применение методе® стереохимического моделирования позволяет не только провести обобщение уже известных результатов исследоаания. но и способствует постановке новых экспериментальных задач по изучению структуры и функционироаания аппарата трансляции.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы шлялось проведение стереохимического анализа кодон-антикодонового спаривания, осуществляемого в рибосоме. В конкретные задачи работы входило: I) определение наиболее предпочтительной конфигурации тернарного аминоацил-тРНК-мРНК»пептидил-тРНК комплекса в рибосоме на основа стереохимического анализа и известных из литературы экспериментальньх данных по структуре и топографии рибосомы: 2) рассмотрение воздействий, которым подвергается формирование ' ксдон-антикодонозого дуплекса & Д-участке рибосомы при найденной конфигурации тернарного тРНК^РНКитРНК комплекса.

Научная новизна и практическая ценность. В работе рассмотрена возможная ориентация молекул тРНК и мРНК в рибосоме и в результате проведеного анализа определена наиболее предпочтительная. На основе этой ориентации разработана модель взаимодействующих кодон-антикодонозьх дуплексов. Эта модель позволила впервые описать конкретные межатомные взаимодействия, способные обеспечить только каноническое спаривание по первьм двум позициям кодона и-контролировать неканоническое спаривание в третьей позиции. Также рассмотрен механизм влияния соседних кодоноз на трансляцию считываемого кодона (эффекты кодонозого контекста).

Результаты проведенного анализа ориентации молекул тРНК и мРНК з рибосоме могут быть полезны пря постановке новых экспериментов по

изучению структуры и взаимного расположения составных частей трансляционного аппарата, а также при интерпретации полученных данных. Предложенная модель кодон-антикодонсвого спаривания делает возможным стереохимическое моделирование эффектов кодонового контекста. Это в сеою очередь чрезвычайно важно для понимания регуляции трансляции на уровне первичной структуры мРНК.

Апробация результате» работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на конференции Института белка РАН (Лущино, 1992), а также были представлены на международной конференции, посвященной исследованиям аппарата трансляции (Берлин, 1992). По теме диссертации имеется 4 публикации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, основных выаодоо и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 101 странице машинописного текста, включая 15 рисунков и список литературы, состоящий из 130 источников.

ОРИЕНТАЦИЯ МОЛЕКУЛ тРНК И КОДОН-АНТИКОДОНОВОЕ СПАРИВАНИЕ

Известные из литературы экспериментальные данные убедительно показывают, что спаривание кодона мРНК с антикодоном аминоацил-тРНК не определяется только внутренней стабильностью кодон-антикодонового дуплекса и влиянием на его формирование структуры антикодоновой петли. Чтобы понять процесс декодирования мРНК в рибосоме, необходимо изучить, какие факторы и каким образом влияют на кодон-антикодоноеое спаривание. Моделирование и детальный анализ кодон-антикодонового взаимодействия, осуществляемого в рибосоме на уровне конкретных межатомных взаимодействий, могут быть проведены пока только в пределах комплекса тРНК-мРНК-тРНК. В то же время нельзя однозначно определить конфигурацию этого тернарного комплекса, исходя только из учета стерических требований, которые должны выполняться молекулами тРНК, расположенными соответственно в аминоацил-тРНК-связьвающем (А) и пептидил-тРНК-связьвающем (Р) участках рибосомы. Наиболее обоснованное решение о предпочтительности того или иного расположения молекул тРНК и мРНК в рибосоме можно получить, объединив воедино стереохимический анализ взаимной ориентации молекул тРНК и мРНК с анализом совокупности данных о структуре и топографии рибосомы.

1. ОРИЕНТАЦИЯ МОЛЕКУЛ тРНК В РИБОСОМЕ

Наиболее удобно рассматривать ориентацию двух тРНК. находящихся в А- и Р-участках транслирующей рибосомы, в момент транспептидации. поскольку в этот момент должны выполняться два требования: 1) антикодоны молекул тРНК должны быть спарены со смежными кодонами мРНК, и 2) их ССА-концы в сзсно очередь должны быть сближены, чтобы осуществить реакцию транспептидации. После образования новой пептидной связи происходит транслокация и образовавшаяся пептидил-тРНК из А-участка перемещается в Р-участок рибосомы. Таким образом, переход тРНК из А- в Р-участок можно представить как. а основном, вращательное движение вокруг оси, проходящей через ССА-концы и антикодоны двух тРНК (оси транслокации). По существу, Есе мыслимые взаимные ориентации молекул тРНК могут быть описаны дзугранньм углом, образованный плоскостями тРНК. проходящими через ось транслокации.

Стереахимический анализ всевозможных взаимных ориентации двух тРНК и мРНК проводился нами с использованием кристаллической структуры "свободной" тРНК. Моделирование взаимодействия мРНК с антикодонами двух тРНК, расположенных в А- и Р-участках рибосомы, было основано на двух положениях: I) при спаривании кодона с антикодоном тРНК образуется двойная ммниспираль А11-РНК; 2) оба кодон-антикодоновых дуплекса (в А- и Р-участках рибосомы) всегда расположены относительно друг друга одинаковьм образом; другими словами, конформация перетяжки, соединяющей кодон в А-участке с кодоном в Р-участке, должна быть одинакова для всех пар тРНК. Моделирование взаимной ориентации двух тРНК, спаренных с соседними кодонами мРНК, показало, что два смежных кодон-антикодоновых дуплекса не могут располагаться коаксмально и образсяьвать единую двойную спираль. Между ними неизбежно должен образоваться излом за счет вращения вокруг связей C3'-03'-P-05'-C5'-C4' межнуклеотидного мостика, соединяющего соседние кодоны мРНК. Результатом стереохимического анализа также (зился вьвод, что допустимы две альтернативные ориентации молекул тРНК, расположенных в А- и Р-участках рибосомы: R-ориентация и S-ориентация (рис.1). Смитом и Ярусом были получены экспериментальные свидетельства в пользу того, что две тРНК, занимающие соответственно А- и Р-участки рибосомы, взаимодействуют друг с другом своими антикодоновыми петлями. Проведенный нами стереохимический анализ показал, что именно R-ориентация молекул тРНК дает возможность осуществить такой контакт без заметных изменений в кристаллической структуре тРНК. В этой ориентации антикодоновая петля

Рис.1. Стереоизображение дзух альтернативных взаимных ориентаций молекул тРНК. Остов молекул тРНК представлен в виде трубки, антикодоньг выделены белым цветом. "Р(В)" - обозначает положение молекулы тРНК, занимающей Р-участок, в R-ориентации, a "P(S)" - ее положение в S-ориентации по отношению к тРНК, находящейся в A-участке (общей для обеих ориентаций и изображенной более светлым цветом.

(в области 33 остатка) молекулы тРНК, занимающей Р-участок, взаимодействует с антикодоном (в области 36 остатка) тРНК., связанной в А-участке рибосомы (рис.2). В то же время взаимодействия между антикодоновыми петлями молекул тРНК не могут быть осуществлены в S-ориентации без серьезных изменений в кристаллической структуре "свободной" тРНК. В противном случае невозможно достичь одновременного сближения ССА-концов и антикодоновых петель двух тРНК, взаимодействующих со смежными кодонами мРНК (рис. 1,2).

Быстро увеличивающееся количество разнообразных экспериментальных данных по топографии и структуре рибосомы создает надежную основу для анализа расположения всего тернарного комплекса тРНК-мРНК-тРНК относительно самой рибосомы. Ориентация этого комплекса в пространстве может быть описана расположением транслокационной оси в рибосоме и поворотом всего комплекса вокруг нее.

Как уже отмечалось, транслокационная ось определяется ССА-канцами и антикодонами молекул тРНК, занимающих А- и Р-участки рибосомы. В настоящее время уже однозначно установлено, что антикодоны тРНК связываются на поверхности 30S субчастицы, а ССА-концы на 50S субчастице. Многочисленные данные по иммунной

а.

Рис.2. Стереоизображение. иллюстрирующее детали кодон антикодонового взаимодействия в двух альтернативных взаимных ориентация* молекул тРНК и мРНК. (а) Я-ориентация. (Ь) Э-ориентация. (Изображения даны приблизительно в таком же ракурс», как и на рис.1). Показаны два смежных кодона с отмеченньми 5' и З'-концами. В молекулах тРНК, занимающих А- и Р-участки, показаны основания 33 - 37 (антикодон вместе с примыкающими к нему инвариантньм урацилом на 5'-стороне и гипермодифицированным основанием на З'-стороне).

электронной микроскопии, фут-принтингу (foot printing) и химическим сшизкам указььают на то, что антикодоны занимающих А- и Р-участки молекул тРНК располагаются в желобке, разделяющем головку, тело и платформу 30S рибосомной субчастицы; аминоакцепторные концы тРНК сьюььаются у основания центрального выступа 50S субчастицы. Следовательно, ось транслокации в рибосоме ориентирована от желобка ("шеи") 30S субчастицы к основанию центрального выступа 50S субчастицы (рис.3). Ось тракслокации показана в "перекрывающейся" проекции 70S рибосомы. В этой проекции 30S субчастица расположена ближе к наблюдателю, a 50S субчастица - дальше, и часть ее заслонена малой субчастицей. LI-выступ находится на левой стороне 50S субчастицы, а 1.7/и2-стержеиь - на правой. На рисунке 3 отмечены обе точки, определяющие транслокационную ось (участок декодирования (АС) и пептидилтрансферазный центр (РТ)), однако необходимо иметь в виду, что точная ориентация этой оси также зависит от формы моделей отдельных субъедикиц и их точной ориентации друг относительно друга.

Рис.3. Ориентация транслокационной оси в рибосоме. Представлены схематические изображения 30S и 50S субчастиц, а также 70S рибосомы. Ось транслокации проходит через участок связывания антикодонов (АС) и пептидилтрансферазный центр (РТ). Оба участка расположены на контактирующих сторонах соответствующих субъединиц. Цифрами обозначены положения рибосомных белков.

Таким образом, места взаимодействия с рибосомой концоз молекул тРНК, связанных в А- и Р-участках, установлены относительно точно. При фиксированном положении концов двух тРНК их расположение в рибосоме можно описывать поворотом на определенный угол вокруг оси

30S

5 OS

70S

30S 5OS 30S 503

Рис.4. Комплекс тРНК-мРНК-тРНК, созмещэнный с моделью 70S рибосомы, в приблизительно соответствующем масштабе. Молекулы тРКК (а А- и Р-участках), а также мРНК изображены (а) в R-ориентации. (Ь) в S-ориентации.

транслокации всего тернарного тРНК-мРНК-тРНК комплекса, находящегося или в R-, или в S-ориентации. На осноае анализа данных о местах связывания факторов элонгации, результатов по сшивкам центральных частей молекул тРНК с рибосомой, а также результатов по определению хода мРНК вблизи декодирующего участка рибосомы мы попытались выяснить, какие требования предъявляются к расположению тернарного тРНК-мРНК-тРНК комплекса □ рибосоме и какая из двух альтернативных взаимных ориентации тРНК (R или S) при этом наиболее предпочтительна. Из данных о взаимодействии фактора элонгации EF-Tu с аминоацил-тРНК и о его соязызании с рибосомой следует, что A-участок должен располагаться ближе к 1_7/1_12-стержн!0, чем Р-участок. Следовательно, из всех возможных положений молекул тРНК в рибосоме, которые могут быть получены вращением всего комплекса тРНК-мРНК-тРНК вокруг оси транслокации, приемлемыми могут быть только те, в которых тРНК, занимающая A-участок, находится на стороне 1_7/и2-стержня. Такому условию удовлетворяют два основных взаимоисключающих варианта расположения молекул тРНК в рибосоме (рис.4), один - при взаимной R-ориентации молекул тРНК (рис.4а). а другой - при S-ориентации (рис,4Ь). Эти два варианта определяются разными взаимными ориентациями молекул тРНК (R и S) и поэтому не могут быть совмещены вращением вокруг оси

транслокации. Несмотря на некоторую неоднозначность в ориентации оси транслокации (ССА-концов и антикодонов тРНК) относительно рибосомы, а также возможность вращения комплекса тРНК-мРНК-тРНК вокруг этой оси, существуют только две принципиально отличающиеся возможности расположения молекул тРНК и мРНК в рибосоме. На основе экспериментальных данных пока нельзя однозначно определить, какой из представленных на рис.4, вариантов реализуется в транслирующей рибосоме. Однако данные по сшивкам центральных участков молекул тРНК, а также аналогов мРНК с рибосомой наиболее хорошо согласуются с Я-ориентацией молекул тРНК и мРНК в рибосоме (рис.4а). Таким образом, можно заключить, что как стереохимическмй анализ, так и данные по структуре и топографии рибосом свидетельствуют в пользу И-ориентации молекул тРНК в рибосоме.

2. СТЕРЕОХИМИИЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ КОДОН-АНТИКОДОНОВЬХ ДУПЛЕКСОВ.

Далее нами было рассмотрений, каким воздействиям подвергается формирующийся в А-участке рибосомы кодон-антикодоновый дуплекс в Я-ориентации молекул тРНК и к каким последствиям это должно приводить.

Рис.5. Схематическое изображение Н-ориентации двух молекул тРНК, спаренных со смежньми кодонами мРНК. Буквой А отмечена тРНК в А-участке, а буквой Р - тРНК в Р-участке рибосомы. ССА-концы находятся в верхней части рисунка, а в нижней части представлены кодон-антиходоновые дуплексы. Изогнутой трубкой изображен сахаро-фосфатный остов мРНК, а палочками -пары оснований дуплексов. Плоскости двух тРНК образуют двугранный угол ю и 100°.

Как уже отмечалось выше, именно в R-ориентации может быть, легко осуществлен, прямой контакт между антикодоновыми петлями двух тРНК. расположенных в А- и Р-участках рибосомы. Проведенный нами стереохимический анализ показал, что, когда двугранный угол со, образованный плоскостями двух тРНК, превышает значение 110°, контакт исчезает. Если со.становится меньше, чем 90°, наблюдаются недопустимые стерические перекрывания. Отсюда следует, что значение двугранного угла должно быть 100°±10° (рис.5). При таком расположении двух тРНК наблюдается взаимодействие между wobble парой кодон-антикодонового дуплекса, находящегося в Р-участке рибосомы, и кодсн-антикодоновым дуплексом, образованньм в А-участке. Из предложенной нами модели кодон-антикодонового спаривания при R-ориентации молекул тРНК следует, что именно взаимодействие между дуплексами может выступать в роли главного "внешнего" фактора, воздействующего на формирование кодон-антикодоноаого дуплекса в А-участке рибосомы.

На представленной модели (рис.5, 6) можно видеть, что wobble пара из Р-участка экранирует сахаро-фосфатный остов кодона, находящегося в А-участке. В результате рибозные 2'ОН-группы первого и второго остатков

Рис.6. Стереоизображение, иллюстрирующее детали взаимодействия между кодон-антикодоновьми дуплексами. Взаимная ориентация гнтикодоноаых петель и мРНК. соответствует показанной в рис.5. Пунктирные линии - водородные связи. В правой части стереоизображения юказана wobble пара дуплекса, занимающего Р-участок. В левой части -¡формированный * А-участке кодон-антикодоновый дуплекс. В А-участке томимо антикодоноаого триплета и кодона показаны остатки тРНК - 32. 37 ( инвариантный урацил 33, образующий водородную связь с фосфатом 36. 5 кодоне. находящемся в А-участке. показаны межрибозные водородные вязи (2'0Н 04'). Точками изображен рибосомный остаток С1400, овалентно сшитый с wobble основанием антикодона из Р-участка.

кодона. а также рибозный атом кислорода 04' второго остатка стерически не могут сформировать водородные связи с какими-либо внешними электроотрицательными атомами, включая молекулы воды. В таких условиях экранированные 2'ОН-группы и атомы кислорода 04' кодоновых нуклеозидов способны организовьвать только межрибозные водородные связи (2'ОН 04') (см. рис.6). Из кристаллографических данных известно, что такие межрибозные водородные связи действительно встречаются в спиральных участках РНК. В данном случае разрушение этих межрибозных водородных связей не может быть компенсировано образованием других и приведет к большим энергетическим потерям (~30-40kJ/mol). Это позволяет

утверждать, что только тогда. когда в кодоне присутствуют обе межрибозные водородные связи (2'ОН 04'). сформированный в А-участке кодон-антикодоновый дуплекс будет обладать достаточной стабильностью. Важно также подчеркнуть, что в этом случае все три кодоновых остатка будут удерживаться межрибоэными водородными связями в А-форме.

Известно, что первое (wobble) основание антикодона молекулы тРНК, связанной в Р-участке. сшивается при ультрафиолетовом облучении с рибосомным основанием С1400. Предлагаемая нами модель попускает образование только одного из четырех возможных вариантов сшивки (транс-син димера) (рис.6). Естественно считать, что в отсутствие ковалентных сшизок основание CI400 должно располагаться приблизительно таким же образом и вместе с wobble основанием антикодона более надежно экранировать водородную связь между вторым и третьим кодоновыми остатками.

Рентгеноструктурные данные показывают, что замена в двойной спирали канонической пары на неканоническую GU (пара, в которой взаимная ориентация гликозидных связей минимально отличается от канонической) сопровождается смещением гликозидных связей на 1.2А. Однако а предлагаемой нами модели даже такое смещение гликозидных связей и жестко связанных с ними атомов рибозного кольца приводит к полному разрыву межрибозной водородной связи 2'ОН • 04'. Следовательно, чтобы избежать больших энергетических напряжений при образовании неканонических пар в формирующемся кодон-антикодоновом дуплексе в А-участке, необходимые при этом отклонения от канонической А-формы должны осуществляться, в основном, в антикодоне.

Из кристаллографических данных также известно, что конформация антикодона "свободной" тРНК очень близка к А-форме РНК. В то же время необходимо отметить, что подвижность второго и третьего оснований антикодона сильно ограничена инвариантными взаимодействиями в антикодоновой петле. Такими взаимодействиями являются: водородная связь

Рис.7. Стереоизображение фрагмента антикодоноеой петли. Показан инвариантный иЗЗ, а также первый (1), второй (2) и третий (3) остатки антикодона. Первый остаток антикодона и фосфатная группа второго эстатка даны в двух разных положениях. Пунктиром обозначена водородная хязь между иЗЗ и фосфатом третьего остатка антикодона.

чежду ЫН-группой основания 1)33 и фосфатом 36, стэкинг основания 1)33 с снованием 32 и фосфатом 35. стерические контакты 1)33 с основаниями 35 36, стерические контакты рибозы 33 с основанием 35 и фосфатом 35 эис.6,7). Эти контакты образуют плотный стерический карман для снования 1133, в котором оно связано водородной связью с фосфатом 36, асположеиным между вторым и третьим основаниями антикодона. Такая 1стема взаимосвязанных взаимодействий не позволяет второму и третьему ггаткам антикодона сдвигаться в любом направлении на 1 .ЕЛ. и более без трещенных стерических перекрываний и (или) поиления неспаренных шора водородной связи (атом N3 урацила иЗЗ) и акцептора (атом 02 ацила иЗЗ). Другими словами, второй и третий остатки антикодона (как чх кодоновые партнеры) должны находиться в канонической А-форме, т.е. есте с основаниями кодона они должны формировать только Уотсон-икоаские пары.

В противоположность второму и третьему основаниям, первое нозание антикодона значительно более подвижно (Рис.7). Это позволяет

ему неканонически спариваться со своим фиксированный кодоноеьм партнером. В рамках предлагаемой модели мы рассмотрели возможность

Рис.8. Спаривание урацила и цитозина без водного мостика (а) и с водный мостиком (Ь).

образования неканонических пар оснований UU. UC, CU. UG. GU. IU и I/ (представленньх также в классической работе Крика) в wobble положение

кодон-антикодонового дуплекса. Кроме этих, в рассмотрение были включены пириммдин-пиримидиновые пары Ш и ис, содержащие водные мостики. Интересно отметить, что пара 1)С, содержащая водный мостик, (см. рис.8) была обнаружена в кристаллах двойной спирали РНК. В случае

Minor groove

Ma/or groove

Рис.9. Положения гликозидных связей первого основания антикодона (левая часть рисунка) при фиксированной позиции гликозидной связи третьего основания кодона (X) в различных парах оснований. Гликозидные связи канонической пары изображены толстыми линиями. Пунктирными линиями обозначены гликозидные связи стерически запрещенных пар. 1Г11, 1ГС, С*II - гликозидные связи пар оснований, содержащих водные мостики.

пары 1Л1 был рассмотрен вариант, содержащий водный мостик 31МН Н20 02 и водородную связь 40-ЖЗ.

Каноническое положение третьего основания кодона оказалось ^совместимо с парами, формирование которых требует сильного :мещенмя антикодонового остатка от канонического положения в сторону ;одонозого партнера или в сторону глубокого желоба миниспирали рис.9). В первом случае наблюдаются стерические перекрывания между ¡ибозой первого остатка антикодона с основанием второго (рис.6). Во тором случае смещение сопровождается недопустимым растяжением стова цепи между рибозами первого и второго остатков антикодона

(рис.6). Например, стерические перекрывания появляются в случае пиримидин-пиримидиновых пар UC, CU без водного мостика. Для формирования этих пар требуются значительные сдвиги (~ЗА) wobble основания антикодона от своего канонического положения в А-форме к своему кодоновому партнеру (рис.9). Соответственно, недопустимое растяжение рибозо-фосфатного остова наблюдается при формиросании пары CU с водным мостиком, когда С находится в антикодоне. В этом случае требуется значительный сдвиг цитозина в направлении глубокого желобка кодон-антикодоновой миниспирали (рис.9).

Не совсем ясной оказалась ситуация с пурин-пуриновой парой инозин-аденин (IA). В этом случае не наблюдаются сильные стерические перекрывания и растяжения, но необходимы заметные (~10°) деформации

валентных углов остова цепи между первым и вторым антикодоновыми остатками.

Все вышесказанное может быть обобщено в виде поправок к правилам спаривания в wobble положении, выдвинуть** в работе Крика. Напомним, что согласно этим правилам антикодоновый U спаривается с А и G: С спаривается с G; А спаривается с U; G спаривается с С и U; I спаривается с U, С, А. Согласно нашим наблюдениям: 1) U способен спариваться не только с А и G, но также cU и С; 2) I должен спариваться с А хуже, чем с U и С. Заметим, что наши дополнения к правилам Крика хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Узловым моментом нашей модели является взаимодействие между кодон-антикодоновыми дуплексами, находящимися в А- и Р-участках рибосомы. Нами рассмотрена только инвариантная часть этого взаимодействия, а именно экранировка сахаро-фосфатного остова кодона из А-участка wobble парой кодон-антикодонового дуплекса из Р-участка. Другой частью междуплексного взаимодействия является вариабельное взаимодействие края wobble пары из Р-участка с мелким желобком дуплекса, связанного в А-участке, и с пурином 37 аминоацил-тРНК (рис.6). На рис.6 можно видеть, что это взаимодействие зависит от первичной структуры кодон-антикодонового дуплекса, образованного в А-участке, типа wobble пары в Р-участке, а также от модификации wobble основания антикодона в Р-участке. Следовательно, междуплексное взаимодействие может как стабилизировать, так и дестабилизировать формирующийся в А-участке дуплекс, тем самым оказывая влияние, например, на скорость трансляции и частоту ложного считывания мРНК. Стабилизирующего или дестабилизирующего влияния на дуплекс в А-участке можно достичь подбором соответствующих нзоакцепторных тРНК и (или) синонимических кодонов для дуплексов А- и Р-участков. Это позволяет в рамках нашей

модели попытаться понять механизм проявления эффектов кодонового контекста.

Предлагаемая нами модель взаимодействующих кодон-антикодоновых дуплексов может быть подвергнута экспериментальной проверке. Например, из нее следует, что химическая модификация первого антикодонового остатка (особенно по 5' положению урацила, которое наблюдается наиболее часто), находящегося в составе wobble пары дуплекса из Р-участка, должна влиять на стабильность дуплекса в А-участке. Другим интересным следствием, вытекающим из предлагаемой модели, является неэффективность использования нити ДНК вместо мРНК. Из-за отсутствия в ДНК 2'ОН-групп в кодоне не могут образоваться межрибозные водородные связи. Поэтому рассмотренная нами экранировка остова кодона, занимающего А-участок. wobble парой кодон-антикодонового дуплекса из Р-участка должна приводить к дегидратации в кодоне атомов 04' рибозных колец. Следовательно, если вместо мРНК использовать однонитевую ДНК, то даже посадка очередной аминоацил-тРНК в А-участке должна быть сильно затруднена. Кроме того, отсутствие межрибозных водородных связей при трансляции однонитевой ДНК должно способствовать конформационной свободе считываемого кодона, и поэтому в некоторых случаях может иметь место вькхжий уровень ложного считывания по всем позициям кодона.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Две молекулы тРНК, связанные соответственно в А- и Р-участках рибосомы, могут быть представлены в одной из двух альтернативных взаимных ориентаций: R или S. На основе существующих экспериментальных данных по структуре и топографии рибосом и стереохимических ограничений на взаимное расположение молекул тРНК показано, что R-ориентация является наиболее приемлемой.

2. При R-ориентации в комплексе тРНК-мРНК-тРНК наблюдается взаимодействие между кодон-антикодоновьми дуплексами, расположенными в А- и Р-участках рибосомы. В S-ориентации какое-либо междуплексное взаимодействие отсутствует. Междуплексное взаимодействие в R-ориентации предотвращает неканоническое спаривание по первым двум положением кодона и контролирует формирование неканонических пар по третьему положению кодона.

3. Модель взаимодействующих кодон-антикодоновых дуплексов дает возможность анализировать эффекты кодонового контекста на уровне конкретных межатомных взаимодействий.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вянцловас,Ч., Лим.В.И. (1992) Взаимная ориентация молекул тРНК, находящихся в А- и Р-участках рибосомы, сильно влияет на избирательность кодон-антикодонового спаривания. Докл. Росс. Акад. Наук, т.325, 10671070.

2. Lim.V.I., Venclovas.C., Spirin.A.S.. Brimacombe.R., Mitchell.P., Muller.F., (1992) How are tRNAs and mRNA arranged in the ribosome? An attempt to correlate the stereochemistry of the tRNA-mRNA interaction with constraints imposed by the ribosomal topography. Nuc/e/c Acids fíes 20, 2827-2637.

3. Lim.V.I., Venclovas.C. (1992) Codon-anticodon pairing: A model of interacting codon-anticodon duplexes located at the ribosomal A- and P-sites. FEBS Lett. 313, 133-137.

4. Venclovas.C., Lim.V.I. (1992) Interaction between A- and P-site codon-anticodon duplexes can prevent misreading in the first two positions of codon. in: Abstract book. International conference on the translationaJ apparatus., Ber/in. p.171.