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

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

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

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ВЯНЦЛОВАС ЧЕСЛОВАС

УДК 547.963.3

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Институте белка РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук В. И. НИМ

Официальные опоненты:

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

Ведущая организация: Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН

Защита диссертации состоится " _ 1993г. в _

часов на заседании специализированного совета Ц 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 "_"_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 язляется спаризание кодона мРНК с антикоконом соответствующей аминоацил-тРНК. За последние годы стало очевидным, что кодон-антикодонозое спаризание в аминоацил-тРНК-саязьоающем участие (А-участке) рибосомы нельзя свести только к образовании водородных связей между антипараллельными тринуклеотидами (кодоном и антикодоном). Однако пока неизвестны ни детальная структура рибосомы, ни точное расположение в ней лигандоз, участвующих в трансляции (молекул тРНК, мРНК, факторов трансляции). По этой причине до сих пор остается открытьм вопрос о том. какие факторы и каким образом воздействуют на кодон-антикодоновое спаризание а рибосоме. В этой ситуации применение методов стереохимического моделирования позволяет не только гтрозести обобщение уже иззестных результатоэ исследоаания, но и способствует постановке новых экспериментальных задач по изучению структуры и функционирования аппарата трансляции.

Цель я задачи работы. Целью настст-щсй работы галяпось проведение стереохимического анализа кодон-антикодонового спаривания, осуществпяемюго в рибосоме. В конкретные задачи работы входило: 1) определение наиболее предпочтительной конфигурации тернарного аминоацял-тРНКлмРНК-пептидил-тРНК комплекса в рибосоме на оснсае

стереохимического анализа и известных из литературы экспермментальньк данных по структуре и топографии рибосомы; 2) рассмотрение воздействий, который подвергается формирование ' кодон-антикодонозого дуплекса в А-участке рибосомы при найденной конфигурации тернарного тРНК-мРНК»тРНК 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 ходон-антикодокозых дуплексов. Эта модель позволила вперзые описать конкретные ь1сжатсмнь>е взаимодействия, способные обеспечить только каноническое спаризание по пераьм двум позициям кодона и контролировать неканоническое спаривание в третьей позиции. Также рассмотрен механизм влияния соседних кодоноз на трансляцию считьваемого кодона (эффекты кодоноеого контекста).

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

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

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на конференции Института белка РАН (Пущино, 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 вьеодов 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-антикодоноеого 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-антикодоновое спаривание. Моделирование и детальный анализ кодон-антикодоноеого 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 транслептидации. поскольку в этот момент должны выполняться два требования: 1) антикодоны молекул тРНК должны быть спарены со смежньми кодонами мРНК. и 2) их ССА-концы в свою 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. в основном, вращательное движение вокруг оси, проходящей через ССА-концы и антикодоны двух тРНК (оси транслокации). По существу, все мыслимые взаимные ориентации молекул тРНК могут быть описаны двугранньм углом. образованный плоскостями тРНК. проходящими через ось транслокации.

Стереохимический анализ всевозможных взаимных ориентации двух тРНК и мРНК прозодился нами с использованием кристаллической структуры "свободной" тРНК. Моделирование взаимодействия мРНК с антикодснетли дзух тРНК. расположенных в А- и Р-участках рибосомы, было основано на двух положениях: 1) при спаривании кодона с антикодоном тРНК образуется дгойная миниспираль А11-РНК: 2) оба кодон-антиходоновых дуплекса (в А- и Р-участках рибосомы) всегда расположены относительно друг друга одинакозьм образом: другими словами, конформация перетяжки, соединяющей кодон в А-участке с кодонсм в Р-участке, должна быть одинакова для всех пар тРНК. Моделирование взаимной ориентации двух тРНК. спаренных с соседними кодонами мРНК. показало, что дза смежных кодон-антикодонозых дуплекса не могут располагаться коаксиально и образоеьвать единую двойную спираль. Между ними неизбежно должен образоваться излом за счет вращения вокруг сзязей С3'-03'-Р-05'С5'-С4' межнуклеотидного мостика, соединяющего соседние кодоны мРНК. Результатом стереохимического анализа также явился вьвод, что допустимы две альтернативные ориентации молекул тРНК, расположенных з А- и Р-участках рибосомы: ориентация и Э-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 антикодоновьми петлями. Проведенный нами стереохимический анализ показал, что именно -ориентация молекул тРНК дает возможность осуществить такой контакт без за»летных изменений в кристаллической структуре тРНК. В этой ориентации антикодоновая петля

Рис.1. Стереоизображение двух альтернативных взаимных ориентаций молекул тРНК. Остов молекул тРНК представлен в виде трубки, антикодоны выделены белым цветом. "Р(Н)" - обозначает положение молекулы тРНК. занимающей Р-участок, в (Ч-ориентации, а "Р(Б)" - ее положение в Б-ориентации по отношению к тРНК. находящейся в А-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 Э-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 смежньми 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-концами и антикодонами молекул тРНК, занимающих А- и Р-участки рибосомы. В настоящее время уже однозначно установлено, что антикодоны тРНК связываются на поверхности ЗОБ субчастицы, а ССА-концы на 503 субчастице. Многочисленные данные по иммунной

а.

Рис.2. Стереоизображение, иллюстрирующее детали кодон антикодонового взаимодействия в двух альтернативных взаимных ориентациях молекул тРНК и мРНК. (а) И-ориентация. (Ь) Б-ориентация. (Изображения даны приблизительно в таком же ракурсе, как и на рис.1). Показаны два смежных кодона с отмеченными 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 сшивкам указьвают на то, что антикоконы занимающих А- и Р-участки молекул тРНК располагаются в желобке, разделяющем головку, тело и платформу 30S рибосомной субчастицы; аминоакцепторные концы тРНК связызаются у основания центрального выступа 50S субчастицы. Следовательно, ось транслокации в рибосома ориентирована от желобка ("шеи") 30S субчастицы к основанию центрального выступа 50S субчастицы (рис.3). Ось транслокации 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_7/1.12-стержень - 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 субъединиц и их точной ориентации друг относительно друга.

30S 50S 70S

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 концов 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 5OS 30S 503

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

транслскации всего тернарного тРНК-мРНК-тРНК комплекса, находящегося или в R-, или в S-ориентации. На оснозе анализа дакнь* 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 требозания предъявляются к расположению тернарного тРН'К-мРНК-тРНК комплекса в рибосома и какая из дзух 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 связывании с рибосомой следует, что A-участок должен располагаться ближе к !-7/!-12-стержню, чем Р-участок. Следозательно, из всех возможных положений молекул тРНК. о рибосозде. которые могут быть получены сращением воего комплекса тРНК-мРНК-тРНК вокруг оси транслокации, приемлемыми могут быть только те. а которых тРНК. занимающая А-учасгок. находится на стороне и71-12-стержн.я. Такому услозию удовлетворяют два основных взаимоисключающих варианта расположения молекул тРНК а 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 орнентацидаи молекул тРНК (R и S) и поэтому не могут быть сосмещены вращением вокруг оси

транслокации. Несмотря на некоторую неоднозначность в ориентации оси транслокации (ССА-концоз 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 стереохимический анализ, так и данные по структуре и топографии рибосом свидетельствуют в пользу (^-ориентации молекул тРНК в рибосоме.

2. СТЕРЕОХИ М ИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ КОДОН-АНТИКОДОНОВЫХ ДУПЛЕКСОВ.

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

Рис.5. Схематическое

изображение Я-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-антикодоноеые дуплексы. Изогнутой трубкой изображен сахаро-фосфатный остов мРНК, а палочками -пары оснований дуплексов. Плоскости двух тРНК образуют двугранный угол со л 100°.

Как уже отмечалось выше, именно в R-ориентации может быть, легко осуществлен. прямой контакт между антикодоновьми 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.стеиоеится 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 кодом-антикодоновым дуплексом, образованные 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-антикодонового 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 антикодоновых петель и мРНК соответствует показанной в рис.5. Пунктирные линии - водородные связи. В правой части стереоизображения показана wobble пара дуплекса, занимающего Р-участок. В левой части -сформированный в А-участке кодон-антикодоновый дуплекс. В А-участке помимо антикодонового триплета и кодона показаны остатки тРНК - 32. 37 и инвариантный урацил 33. образующий водородную связь с фосфатом 36. В кодоне, находящемся в А-участке. показаны межрибозные водородные связи (2'0Н 04'). Точками изображен рибосомный остаток С1400, ковалентно 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' кодоноеых 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 межрибозными 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 допускает образование только одного из четырех возможных вариантов сшивки (транс-син димера) (рис.6). Естественно считать, что в отсутствие ковалентных сшиоок основание С1400 должно располагаться приблизительно таким же образом и вместе с wobble основанием антикодона более надежно экранировать водородную связь между вторым и третьим кодоновыми остатками.

Ренггеноструктурные 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 в 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 инвариантныии взаимодействиями в антикодоновой петле. Такими взаимодействиями являются: водородная связь

Рис.7. Стереоизображение фрагмента антикодоновой петли. Показан инвариантный иЗЗ. а также первый (1). второй (2) и третий (3) остатки антикодона. Первый остаток антикодона и фосфатная группа второго остатка даны в двух разных положениях. Пунктиром обозначена водородная связь между 1)33 и фосфатом третьего остатка антикодона.

между ЫН-группой основания 1)33 и фосфатом 36, стэкинг основания иЗЗ с основанием 32 и фосфатом 35. стерические контакты 1)33 с основаниями 35 и 36. стерические контакты рибозы 33 с основанием 35 и фосфатом 35 (рис.6,7). Эти контакты образуют плотный стерический карман для основания иЗЗ, в котором оно связано водородной связью с фосфатом 36, расположенным между вторьм и третьим основаниями антикодона. Такая система взаимосвязанных взаимодействий не позволяет второму и третьему эстаткам антикодона сдвигаться в любом направлении на 1.2А и более без ¡апрещенных стерических перекрываний и (или) появления неспаренных донора водородной сзязи (атом N3 урацила иЗЗ) и акцептора (атом 02 рацила 1)33). Другими словами, второй и третий остатки антикодона (как I их кодоновые партнеры) должны находиться в канонической А-форме. т.е. месте с основаниями кодона они должны формировать только Уотсон-.риковские пары.

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

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

а.

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 IA (представленных также в классической работе Крика) в wobble положении

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

groove

Major groove

Рис.9. Положения гликозидных связей первого основания антикодона (левая часть рисунка) при фиксированной позиции гпикозидной связи третьего основания кодона (X) в различных парах оснований. Гликозидные связи канонической пары изображены толстыми линиями. Пунктирными линиями обозначены гликозидные связи стерически запрещенньсх пар. 1Г1). 1ГС, Си - гликозидные связи пар оснований, содержащих водные мостики.

пары ии был рассмотрен вариант, содержащий водный мостик 31МН НгО 02 и водородную связь 40 • НЫЗ.

Каноническое положение третьего основания кодона оказалось несовместимо с парами, формирование которых требует сильного смещения антикодонового остатка от канонического положения в сторону кодонового партнера или в сторону глубокого желоба миниспирали (рис.9). В первом случае наблюдаются стерические перекрывания между рибозой первого остатка антикодона с основанием второго (рис.6). Во втором случае смещение сопровождается недопустимым растяжением остова цепи между рибозами первого и второго остатков антикодона

(рис.6). Например, стерические перекрывания появляются в случае пиримидин-пиримидиноЕЫХ 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 формировании 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, выдвинутым 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 с U и С; 2) I должен спариваться с А хуже, чем с U и С. Заметим, что наши дополнения к прэаилам Крика хорошо согласуются с экспериментальныии 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 изоакцепторных тРНК и (или) синонимических кодонов для дуплексов А- и Р-участков. Это позволяет в рамках нашей

модели попытаться понять механизм продления 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. Еытекающим из предлагаемой модели, является неэффективность использования нити ДНК вместо мРНК. Из-за отсутствия в ДНК 2'ОН-групп в кодоне нэ 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 атомоз 04' рибозных колец. Следовательно, если Еместо 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 высокий 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 ориентации: 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-антикодоноеых 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. Nucleic Adds Res 20, 2627-2637.

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 translations! apparatus.. Berlin. p.171.