Codon Usage and Organization of the Cell’s Cytoplasm
Da der genetische Code redundant ist, weisen kodierende Sequenzen sehr variable Muster der Codonnutzung auf. Wenn es keine Verzerrung gäbe, sollten alle Codons für eine gegebene Aminosäure mehr oder weniger gleich verwendet werden. Die Gene von B. subtilis wurden in drei Klassen auf der Grundlage ihrer Codon-Nutzung Bias aufgeteilt. Eine Klasse umfasst den Großteil der Proteine, eine andere besteht aus Genen, die während des exponentiellen Wachstums auf hohem Niveau exprimiert werden, und eine dritte Klasse mit A + T-reichen Codons entspricht Teilen des Genoms, die horizontal ausgetauscht wurden. Was ist die Quelle solcher Vorurteile? Es wäre zu erwarten, dass zufällige Mutationen alle Unterschiede geglättet haben, dies ist jedoch nicht der Fall. Es gibt auch systematische Kontexteffekte, wobei einige DNA-Sequenzen bevorzugt oder dagegen ausgewählt werden.
Das Zytoplasma einer Zelle ist kein winziges Reagenzglas. Eines der rätselhaftesten Merkmale der Organisation des Zytoplasmas ist, dass es das Vorhandensein eines sehr langen fadenartigen Moleküls, DNA, aufnimmt, das transkribiert wird, um eine Vielzahl von RNA-Fäden zu erzeugen, die normalerweise so lang sind wie die Länge der gesamten Zelle. Wenn mRNA-Moleküle im Zytoplasma frei gelassen würden, würden alle Arten von verknoteten Strukturen entstehen. Es muss daher einige organisatorische Prinzipien geben, die verhindern, dass sich mRNA-Moleküle und DNA verfangen. Mehrere Modelle, unterstützt durch Experimente, postulieren eine Anordnung, bei der transkribierte Regionen an der Oberfläche eines Chromoids vorhanden sind, so dass die RNA-Polymerase die Doppelhelix während der Transkription nicht umschreiben muss. Die Kompartimentierung ist auch für kleine Moleküle wichtig, obwohl sie schnell diffundieren können. In einer B. subtilis-Zelle, die exponentiell in reichem Medium wächst, nehmen die Ribosomen mehr als 15% des Zellvolumens ein. Das Zytoplasma ist daher ein Ribosomengitter, in dem die lokalen Diffusionsraten von kleinen Molekülen sowie Makromolekülen relativ langsam sind. In gleicher Weise beträgt die berechnete Proteinkonzentration der Zelle ca. 100-200 mg ml-1, eine sehr hohe Konzentration.
Die Translationsmaschinerie erfordert einen geeigneten Pool an Elongationsfaktoren, Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und tRNAs. Wenn man die Anzahl der tRNA-Moleküle zählt, die an ein bestimmtes Ribosom angrenzen, stellt man sich eine kleine, endliche Anzahl von Molekülen vor. Infolgedessen ist ein Translationsribosom ein Attraktor, der auf einen begrenzten Pool von tRNA-Molekülen einwirkt. Diese Situation liefert eine Form des selektiven Drucks, dessen Ergebnis eine Anpassung des Codonnutzungsvorsprungs der übersetzten Nachricht als Funktion ihrer Position innerhalb des Zytoplasmas wäre. Wenn sich die Codonverwendungsneigung von mRNA zu mRNA ändern würde, würden diese verschiedenen Moleküle während des Lebenszyklus nicht die gleichen Ribosomen sehen. Insbesondere wenn zwei Gene sehr unterschiedliche Codonnutzungsmuster hätten, würde dies vorhersagen, dass die entsprechenden mRNAs nicht innerhalb desselben Sektors des Zytoplasmas gebildet werden.
Wenn mRNA-Fäden aus der DNA austreten, greifen sie in das Gitter der Ribosomen ein und ratschen von einem Ribosom zum nächsten, wie ein Faden in einer Drahtziehmaschine (beachten Sie, dass dies genau entgegengesetzt ist zu der Ansicht der Übersetzung in Lehrbüchern, wo Ribosomen entlang fixierter mRNA-Moleküle wandern sollen). In diesem Prozess werden entstehende Proteine an jedem Ribosom synthetisiert und durch die lineare Diffusion des mRNA-Moleküls von einem Ribosom zum nächsten im Zytoplasma verteilt. Wenn sich die mRNA jedoch von der DNA löst, muss der Transkriptionskomplex manchmal aufbrechen. Gebrochene mRNA ist wahrscheinlich ein gefährliches Molekül, da sie, wenn sie übersetzt wird, ein verkürztes Protein produzieren würde. Solche Proteinfragmente sind oft toxisch, weil sie die Architektur von Multisubunit-Komplexen stören können (dies erklärt, warum viele Nonsense-Mutanten eher negativ dominant als rezessiv sind). Es gibt einen Prozess, der mit dieser Art von Unfall in B. subtilis fertig wird. Wenn ein vorzeitig terminiertes mRNA-Molekül sein Ende erreicht, hört das Ribosom auf zu übersetzen, dissoziiert nicht und wartet. Eine spezialisierte RNA, tmRNA, die an ihrem 3′-Ende wie eine tRNA gefaltet und verarbeitet und mit Alanin geladen wird, kommt herein, fügt ihr Alanin am C-Terminus des entstehenden Polypeptids ein und ersetzt dann die mRNA innerhalb eines Ribosoms, wo es als ASFNQNVALAA übersetzt wird. Dieser Schwanz ist ein Protein-Tag, das dann verwendet wird, um es zu einem proteolytischen Komplex (ClpA, ClpX) zu leiten, wo es abgebaut wird.
Die Organisation des Ribosomengitters, gekoppelt an die Organisation der transkribierenden Oberfläche des Chromoids, stellt sicher, dass mRNA-Moleküle parallel zueinander translatiert werden, so dass sie keine Knoten bilden. Polycistronische Operonen stellen sicher, dass Proteine mit verwandten Funktionen lokal coexprimiert werden, wodurch die entsprechenden Signalwegzwischenprodukte kanalisiert werden können. Auf diese Weise ist die Struktur von mRNA-Molekülen an ihr Schicksal in der Zelle und an ihre Funktion bei der Kompartimentierung gekoppelt. Gene, die sequentiell in Operonen übersetzt werden, sind physiologisch und strukturell miteinander verbunden. Dies gilt auch für mRNAs, die parallel zueinander translatiert werden, was darauf hindeutet, dass mehrere RNA-Polymerasen gleichzeitig am Transkriptionsprozess beteiligt sind, wie Zugtiere. In der Tat, wenn es eine Korrelation von Funktion und / oder Lokalisierung in einer Dimension gibt, gibt es eine ähnliche Einschränkung in den orthogonalen Richtungen. Da Ribosomen tRNA-Moleküle anziehen, bewirken sie eine lokale Kopplung zwischen diesen Molekülen und den zu übersetzenden Codons. Dies sagt voraus, dass ein gegebenes Ribosom bevorzugt mRNAs mit ähnlichen Mustern der Codonnutzung übersetzen würde. Als Konsequenz, wenn man sich von einem stark voreingenommenen Ribosom entfernt, würde es immer weniger Verfügbarkeit der am stärksten voreingenommenen tRNAs geben. Dies erzeugt einen Selektionsdruck für einen Gradienten der Codonverwendung, wenn man sich von den am stärksten voreingenommenen Botschaften und Ribosomen entfernt und Transkripte um zentrale Kerne verschachtelt, die aus Transkripten für stark voreingenommene Gene bestehen. Schließlich erzeugt die Ribosomensynthese eine abstoßende Kraft, die DNA-Stränge voneinander wegdrückt, insbesondere aus Regionen in der Nähe des Replikationsursprungs. Zusammen ergeben diese Prozesse einen Gengradienten entlang des Chromosoms, der ein wichtiges Element der Architektur der Zelle ist.