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May 19, 2023

A decodificação de mRNA em humanos é cineticamente e estruturalmente distinta das bactérias

Natureza volume 617, páginas

Nature volume 617, páginas 200–207 (2023) Cite este artigo

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Em todas as espécies, os ribossomos sintetizam proteínas decodificando fielmente as sequências de nucleotídeos do RNA mensageiro (mRNA) usando substratos de aminoacil-tRNA. O conhecimento atual do mecanismo de decodificação deriva principalmente de estudos em sistemas bacterianos1. Embora as principais características sejam conservadas ao longo da evolução2, os eucariontes alcançam uma decodificação de mRNA de maior fidelidade do que as bactérias3. Em humanos, as mudanças na fidelidade de decodificação estão ligadas ao envelhecimento e à doença e representam um ponto potencial de intervenção terapêutica no tratamento viral e do câncer4,5,6. Aqui combinamos imagens de moléculas únicas e métodos de microscopia eletrônica criogênica para examinar a base molecular da fidelidade do ribossomo humano para revelar que o mecanismo de decodificação é cineticamente e estruturalmente distinto daquele das bactérias. Embora a decodificação seja globalmente análoga em ambas as espécies, a coordenada da reação do movimento do aminoacil-tRNA é alterada no ribossomo humano e o processo é uma ordem de grandeza mais lento. Essas distinções surgem de elementos estruturais específicos de eucariotos no ribossomo humano e no fator de alongamento fator de alongamento eucariótico 1A (eEF1A) que juntos coordenam a incorporação fiel de tRNA em cada códon de mRNA. A natureza e o tempo distintos das mudanças conformacionais dentro do ribossomo e do eEF1A racionalizam como o aumento da fidelidade de decodificação é alcançado e potencialmente regulado em espécies eucarióticas.

O código genético que traduz o mRNA para a sequência da proteína é estabelecido pelo ribossomo de duas subunidades - uma montagem multimegadalton RNA-proteína. As regiões centrais das subunidades ribossômicas grandes (LSU) e pequenas (SSU) são evolutivamente conservadas entre as espécies2. Essa conservação reflete a demanda onipresente de ribossomos para interagir rápida e precisamente com moléculas adaptadoras de aminoacil-tRNA (aa-tRNA) estruturalmente semelhantes, mas com sequência diversa. Em humanos, terapias emergentes visam o processo de decodificação de mRNA para tratar doenças monogênicas4, infecções virais5 e câncer6. As diferenças estruturais e regulatórias entre as espécies também sustentam a eficácia do antibiótico7.

Extensas investigações bioquímicas, cinéticas e estruturais realizadas principalmente em bactérias1,8,9,10,11 revelaram que a decodificação depende de um mecanismo de revisão cinética de duas etapas. Nas bactérias, a decodificação começa com a seleção inicial, na qual os aa-tRNAs em um complexo ternário com GTP e uma GTPase conservada de três domínios - fator de alongamento termicamente instável (EF-Tu) - amostram o códon do mRNA dentro do sítio aminoacil (sítio A ) na borda principal (3' mRNA) do ribossomo. O pareamento de bases entre o códon do mRNA e o aa-tRNA anticodon stem loop (ASL) é verificado através de uma rede de RNA ribossômico (rRNA) e interações de proteínas dentro do sítio SSU A conhecido como centro de decodificação. O reconhecimento do aa-tRNA cognato fecha o domínio de ombro SSU em direção aos domínios de corpo e cabeça SSU. O envolvimento do complexo ternário consequente do centro ativador de GTPase LSU (GAC), incluindo o loop catalítico de sarcina-ricina12 (SRL), induz rearranjos na GTPase, incluindo a remodelação do switch-I e do switch-II, que desencadeiam a hidrólise do GTP8,12,13 ,14.

A hidrólise de GTP inicia a segunda seleção de revisão, durante a qual a remodelação de GTPase permite a acomodação da extremidade 3'-CCA conjugada com aminoácidos do aa-tRNA no centro de peptidil transferase LSU (PTC). Lá, a formação da ligação peptídica transfere a cadeia peptídica nascente do tRNA dentro do local de ligação do peptidil-tRNA (local P) para o aa-tRNA. A formação da ligação peptídica termina a decodificação, criando o complexo de pré-translocação (PRE). A fidelidade de decodificação é estabelecida pela rejeição preferencial de aa-tRNAs incorretos durante a seleção inicial antes da hidrólise do GTP e novamente durante a seleção de revisão antes da formação da ligação peptídica.

Instantâneos estruturais de ribossomos de mamíferos isolados de extratos celulares, bem como estudos tomográficos recentes, forneceram insights transformadores sobre as distinções mecanísticas da tradução de mamíferos15,16,17. Embora o homólogo eucariótico de EF-Tu, eEF1A e o ribossomo sofram alterações conformacionais em larga escala, os ribossomos de mamíferos passam por um processo de 'rolagem' de subunidades, cuja observação é inexistente em bactérias15,18. O papel e o tempo desses eventos conformacionais em humanos, e como os recursos específicos de decodificação dos eucariotos contribuem para a fidelidade, ainda não estão claros.