Новая система для широкомасштабного анализа сайтов инициации и реинициации трансляции Escherichia coli тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.10, кандидат химических наук Остерман, Илья Андреевич

• Остерман, Илья Андреевич
• кандидат химических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат химических наук Остерман, Илья Андреевич

Введение

Обзор литературы

Бактериальная трансляция

Последовательность Шайна-Дальгарно

Стартовый кодон

Элементы вторичной структуры мРНК

AU-богатые участки

Нуклеотидный состав мРНК

Полицистронные мРНК и реинициация

Обсуждение результатов

Создание двойной репортёрной конструкции

Влияние стартового кодона на эффективность трансляции 62 Зависимость эффективности трансляции от длины SD и расстояния между SD и стартовым кодоном 64 Влияние элементов вторичной структуры мРНК в области старта трансляции на ее эффективность 68 Инициация de novo и реинициация трансляции в случае близкорасположенных стартового и терминаторного ко донов 71 Роль A/U-богатых участков в трансляции моноцистронных и полицистронных мРНК 75 Высокопроизводительный метод определения механизма действия антибиотиков, основанный на использовании двойной репортёрной системы RFP/CER

Материалы и методы

Выводы

Заключение диссертации по теме «Биоорганическая химия», Остерман, Илья Андреевич

Выводы

1) Впервые показано, что наибольшую эффективность трансляции обеспечивает последовательность Шайна-Дальгарно длиной 8 нуклеотидов, расположенная на расстоянии 7 нуклеотидов от стартового кодона до центрального в в последовательности aagGaggu.

2) Продемонстрировано, что последовательность Шайна-Дальгарно длиной 6 наиболее эффективна при расположении на расстоянии 10 нуклеотидов от стартового кодона до центрального О в последовательности agGagg.

3) Установлено, что элементы вторичной структуры мРНК, расположенные с 5'-конца от последовательности Шайна-Дальгарно, не снижают эффективность трансляции.

4) Показано, что элементы вторичной структуры мРНК в области стартового кодона или последовательности Шайна-Дальгарно ингибируют трансляцию.

5) Обнаружено, что при перекрывании стартового и терминаторного кодонов двух генов (ИАЛиО, иОА1Ю и А1ЮА) эффективность реинициации в меньшей степени зависит от присутствия последовательности Шайна-Дальгарно, чем при удалении стартового кодона от терминаторного на 20 нуклеотидов или расположении их друг за другом (иААА1Ю).

6) Исследована роль А/И-богатых участков, расположенных с 5'-конца от стартового кодона, и установлено, что они увеличивают уровень экспрессии гена вне зависимости от характера стартового кодона, присутствия последовательности Шайна-Дальгарно или расположения гена в опероне.

7) Впервые показано, что стимулирующий трансляцию эффект, оказываемый А/и-богатыми участками, зависит от последовательности второго кодона.

8) Разработана репортёрная система для поиска новых антибиотиков, замедляющих трансляцию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Остерман, Илья Андреевич, 2012 год

1. Shine, J. and L. Dalgarno, The З'-terminal sequence of Escherichia coli 16S ribosomal RNA: complementarity to nonsense triplets and ribosome binding sites. Proc Natl Acad Sci USA, 1974. 71(4): p. 1342-6.

2. Kozak, M., Regulation of translation via mRNA structure in prokaryotes and eukaryotes. Gene, 2005. 361: p. 13-37.

3. Shultzaberger, R.K., R.E. Bucheimer, K.E. Rudd, and T.D. Schneider, Anatomy of Escherichia coli ribosome binding sites. J Mol Biol, 2001. 313(1): p. 215-28.

4. Rudd, K.E., EcoGene: a genome sequence database for Escherichia coli K-12. Nucleic Acids Res, 2000. 28(1): p. 60-4.

5. Ma, J., A. Campbell, and S. Karlin, Correlations between Shine-Dalgarno sequences and gene features such as predicted expression levels and operon structures. J Bacteriol, 2002. 184(20): p. 5733-45.

6. Chen, H., L. Pomeroy-Cloney, M. Bjerknes, J. Tam, and E. Jay, The influence of adenine-rich motifs in the 3' portion of the ribosome binding site on human IFN-gamma gene expression in Escherichia coli. J Mol Biol, 1994. 240(1): p. 20-7.

7. Vimberg, V., A. Tats, M. Remm, and T. Tenson, Translation initiation region sequence preferences in Escherichia coli. BMC Mol Biol, 2007. 8: p. 100.

8. Komarova, A.V., L.S. Tchufistova, E.Y. Supina, and I.V. Boni, Protein SI counteracts the inhibitory effect of the extended Shine-Dalgarno sequence on translation. RNA, 2002. 8(9): p. 1137-47.

9. Chen, H., M. Bjerknes, R. Kumar, and E. Jay, Determination of the optimal aligned spacing between the Shine-Dalgarno sequence and the translation initiation codon of Escherichia coli mRNAs. Nucleic Acids Res, 1994. 22(23): p. 4953-7.

10. Jenner, L.B., N. Demeshkina, G. Yusupova, and M. Yusupov, Structural aspects of messenger RNA reading frame maintenance by the ribosome. Nat Struct Mol Biol, 2010. 17(5): p. 555-60.

11. Yusupova, G., L. Jenner, B. Rees, D. Moras, and M. Yusupov, Structural basis for messenger RNA movement on the ribosome. Nature, 2006. 444(7117): p. 391-4.

12. Komarova, A.V., L.S. Tchufistova, M. Dreyfus, and I.V. Boni, AU-rich sequences within 5' untranslated leaders enhance translation and stabilize mRNA in Escherichia coli. J Bacteriol, 2005.187(4): p. 1344-9.

13. Lee, К., C.A. Holland-Staley, and P.R. Cunningham, Genetic analysis of the Shine-Dalgarno interaction: selection of alternative functional mRNA-rRNA combinations. RNA, 1996. 2(12): p. 1270-85.

14. Ponnala, L., A plausible role for the presence of internal shine-dalgarno sites. Bioinform Biol Insights, 2010. 4: p. 55-60.

15. Li, G.W., E. Oh, and J.S. Weissman, The anti-Shine-Dalgarno sequence drives translational pausing and codon choice in bacteria. Nature, 2012. 484(7395): p. 538-41.

16. Sprengart, M.L., H.P. Fatscher, and E. Fuchs, The initiation of translation in E. coli: apparent base pairing between the 16srRNA and downstream sequences of the mRNA. Nucleic Acids Res, 1990. 18(7): p. 1719-23.

17. O'Connor, M., T. Asai, C.L. Squires, and A.E. Dahlberg, Enhancement of translation by the downstream box does not involve base pairing of mRNA with the penultimate stem sequence of 16S rRNA. Proc Natl Acad Sci USA, 1999. 96(16): p. 8973-8.

18. Rush, G.J. and L.M. Steyn, Translation enhancement by optimized downstream box sequences in Escherichia coli and Mycobacterium smegmatis. Biotechnol Lett, 2005. 27(3): p. 173-9.

19. Blattner, F.R., G. Plunkett, 3rd, C.A. Bloch, N.T. Perna, V. Burland, M. Riley, J. Collado-Vides, J.D. Glasner, C.K. Rode, G.F. Mayhew, J. Gregor, N.W. Davis, H.A.

20. Kirkpatrick, M.A. Goeden, D.J. Rose, B. Mau, and Y. Shao, The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science, 1997. 277(5331): p. 1453-62.

21. Sussman, J.K., E.L. Simons, and R.W. Simons, Escherichia coli translation initiation factor 3 discriminates the initiation codon in vivo. Mol Microbiol, 1996. 21(2): p. 347-60.

22. O'Connor, M., S.T. Gregory, U.L. Rajbhandary, and A.E. Dahlberg, Altered discrimination of start codons and initiator tRNAs by mutant initiation factor 3. RNA, 2001. 7(7): p. 969-78.

23. O'Donnell, S.M. and G.R. Janssen, The initiation codon affects ribosome binding and translational efficiency in Escherichia coli of cl mRNA with or without the 5' untranslated leader. J Bacteriol, 2001. 183(4): p. 1277-83.

24. Stenstrom, C.M., E. Holmgren, and L.A. Isaksson, Cooperative effects by the initiation codon and its flanking regions on translation initiation. Gene, 2001. 273(2): p. 259-65.

25. Farwell, M.A., M.W. Roberts, and J.C. Rabinowitz, The effect of ribosomal protein SI from Escherichia coli and Micrococcus luteus on protein synthesis in vitro by E. coli and Bacillus subtilis. Mol Microbiol, 1992. 6(22): p. 3375-83.

26. Geissmann, T., S. Marzi, and P. Romby, The role of mRNA structure in translational control in bacteria. RNA Biol, 2009. 6(2): p. 153-60.

27. Nudler, E. and A.S. Mironov, The riboswitch control of bacterial metabolism. Trends Biochem Sci, 2004. 29(1): p. 11-7.

28. Allert, M., J.C. Cox, and H.W. Hellinga, Multifactorial determinants of protein expression in prokaryotic open reading frames. J Mol Biol, 2010. 402(5): p. 905-18.

29. Kudla, G., A.W. Murray, D. Tollervey, and J.B. Plotkin, Coding-sequence determinants of gene expression in Escherichia coli. Science, 2009. 324(5924): p. 255-8.

30. Ellis, S. and T.W. Conway, Initial velocity kinetic analysis of 30 S initiation complex formation in an in vitro translation system derived from Escherichia coli. J Biol Chem, 1984. 259(12): p. 7607-14.

31. Freischmidt, A., M. Liss, R. Wagner, H.R. Kalbitzer, and G. Horn, RNA secondary structure and in vitro translation efficiency. Protein Expr Purif, 2012. 82(1): p. 26-31.

32. Boni, I.V., D.M. Isaeva, M.L. Musychenko, and N.V. Tzareva, Ribosome-messenger recognition: mRNA target sites for ribosomal protein SI. Nucleic Acids Res, 1991. 19(1): p. 155-62.

33. Subramanian, A.R., Structure and functions of ribosomal protein SI. Prog Nucleic Acid Res Mol Biol, 1983. 28: p. 101-42.

34. Tzareva, N.V., V.I. Makhno, and I.V. Boni, Ribosome-messenger recognition in the absence of the Shine-Dalgarno interactions. FEBS Lett, 1994. 337(2): p. 189-94.

35. Boni, I.V., V.S. Artamonova, and M. Dreyfus, The last RNA-binding repeat of the Escherichia coli ribosomal protein SI is specifically involved in autogenous control. J Bacteriol, 2000. 182(20): p. 5872-9.

36. Boni, I.V., V.S. Artamonova, N.V. Tzareva, and M. Dreyfus, Non-canonical mechanism for translational control in bacteria: synthesis of ribosomal protein SI. EMBO J, 2001. 20(15): p. 4222-32.

37. Ringquist, S., T. Jones, E.E. Snyder, T. Gibson, I. Boni, and L. Gold, High-affinity RNA ligands to Escherichia coli ribosomes and ribosomal protein SI: comparison of natural and unnatural binding sites. Biochemistry, 1995. 34(11): p. 3640-8.

38. Park, H.S., Y. Ostberg, J. Johansson, E.G. Wagner, and B.E. Uhlin, Novel role for a bacterial nucleoid protein in translation of mRNAs with suboptimal ribosome-binding sites. Genes Dev, 2010. 24(13): p. 1345-50.

39. Hook-Barnard, I.G., T.J. Brickman, and M.A. Mcintosh, Identification of an AU-rich translational enhancer within the Escherichia coli fepB leader RNA. J Bacteriol, 2007. 189(11): p. 4028-37.

40. Grantham, R., C. Gautier, M. Gouy, R. Mercier, and A. Pave, Codon catalog usage and the genome hypothesis. Nucleic Acids Res, 1980. 8(1): p. r49-r62.

41. Sharp, P.M., L.R. Emery, and K. Zeng, Forces that influence the evolution of codon bias. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2010. 365(1544): p. 1203-12.

42. Tuller, T., Codon bias, tRNA pools and horizontal gene transfer. Mob Genet Elements, 2011. 1(1): p. 75-77.

43. Boycheva, S., G. Chkodrov, and I. Ivanov, Codon pairs in the genome of Escherichia coli. Bioinformatics, 2003. 19(8): p. 987-98.

44. Baca, A.M. and W.G. Hoi, Overcoming codon bias: a method for high-level overexpression of Plasmodium and other AT-rich parasite genes in Escherichia coli. Int J Parasitol, 2000. 30(2): p. 113-8.

45. Tuller, T., I. Veksler-Lublinsky, N. Gazit, M. Kupiec, E. Ruppin, and M. Ziv-Ukelson, Composite effects of gene determinants on the translation speed and density of ribosomes. Genome Biol, 2011. 12(11): p. R110.

46. Lu, J. and C. Deutsch, Electrostatics in the ribosomal tunnel modulate chain elongation rates. J Mol Biol, 2008. 384(1): p. 73-86.

47. Stenstrom, C.M., H. Jin, L.L. Major, W.P. Tate, and L.A. Isaksson, Codon bias at the 3'-side of the initiation codon is correlated with translation initiation efficiency in Escherichia coli. Gene, 2001. 263(1-2): p. 273-84.

48. Tats, A., M. Remm, and T. Tenson, Highly expressed proteins have an increased frequency of alanine in the second amino acid position. BMC Genomics, 2006. 7: p. 28.

49. Varshavsky, A., The N-end rule: functions, mysteries, uses. Proc Natl Acad Sci USA, 1996. 93(22): p. 12142-9.

50. Gonzalez de Valdivia, E.I. and L.A. Isaksson, A codon window in mRNA downstream of the initiation codon where NGG codons give strongly reduced gene expression in Escherichia coli. Nucleic Acids Res, 2004. 32(17): p. 5198-205.

51. Varenne, S., D. Baty, H. Verheij, D. Shire, and C. Lazdunski, The maximum rate of gene expression is dependent on the downstream context of unfavourable codons. Biochimie, 1989. 71(11-12): p. 1221-9.

52. Ivanov, I.G., A.A. Saraffova, and M.G. Abouhaidar, Unusual effect of clusters of rare arginine (AGG) codons on the expression of human interferon alpha 1 gene in Escherichia coli. Int J Biochem Cell Biol, 1997. 29(4): p. 659-66.

53. Salgado, H., G. Moreno-Hagelsieb, T.F. Smith, and J. Collado-Vides, Operons in Escherichia coli: genomic analyses and predictions. Proc Natl Acad Sci USA, 2000. 97(12): p. 6652-7.

54. Palleja, A., S. Garcia-Vallve, and A. Romeu, Adaptation of the short intergenic spacers between co-directional genes to the Shine-Daigarno motif among prokaryote genomes. BMC Genomics, 2009. 10: p. 537.

55. Oppenheim, D.S. and C. Yanofsky, Translational coupling during expression of the tryptophan operon of Escherichia coli. Genetics, 1980. 95(4): p. 785-95.

56. Spanjaard, R.A. and J. van Duin, Translational reinitiation in the presence and absence of a Shine and Dalgarno sequence. Nucleic Acids Res, 1989. 17(14): p. 5501-7.

57. Andre, A., A. Puca, F. Sansone, A. Brandi, G. Antico, and R.A. Calogero, Reinitiation of protein synthesis in Escherichia coli can be induced by mRNA cis-elements unrelated to canonical translation initiation signals. FEBS Lett, 2000. 468(1): p. 73-8.

58. Adhin, M.R. and J. van Duin, Scanning model for translational reinitiation in eubacteria. J Mol Biol, 1990. 213(4): p. 811-8.

59. Karamyshev, A.L., Z.N. Karamysheva, T. Yamami, K. Ito, and Y. Nakamura, Transient idling of posttermination ribosomes ready to reinitiate protein synthesis. Biochimie,2004. 86(12): p. 933-8.

60. Inokuchi, Y., A. Hirashima, Y. Sekine, L. Janosi, and A. Kaji, Role of ribosome recycling factor (RRF) in translational coupling. EMBO J, 2000. 19(14): p. 3788-98.

61. Yu, J.S., S. Madison-Antenucci, and D.A. Steege, Translation at higher than an optimal level interferes with coupling at an intercistronic junction. Mol Microbiol, 2001. 42(3): p. 821-34.

62. Praszkier, J. and A.J. Pittard, Pseudoknot-dependent translational coupling in repBA genes of the IncB plasmid pMU720 involves reinitiation. J Bacteriol, 2002. 184(20): p. 5772-80.

63. Grentzmann, G., J.A. Ingram, P.J. Kelly, R.F. Gesteland, and J.F. Atkins, A dual-luciferase reporter system for studying recoding signals. RNA, 1998. 4(4): p. 479-86.

64. Baba, T., T. Ara, M. Hasegawa, Y. Takai, Y. Okumura, M. Baba, K.A. Datsenko, M. Tomita, B.L. Wanner, and H. Mori, Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection. Mol Syst Biol, 2006. 2: p. 2006 0008.

65. Datsenko, K.A. and B.L. Wanner, One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci USA, 2000. 97(12): p. 6640-5.

66. Rommens, J., D. MacKnight, L. Pomeroy-Cloney, and E. Jay, Gene expression: chemical synthesis and molecular cloning of a bacteriophage T5 (T5P25) early promoter. Nucleic Acids Res, 1983. 11(17): p. 5921-40.

67. Rizzo, M.A., G.H. Springer, B. Granada, and D.W. Piston, An improved cyan fluorescent protein variant useful for FRET. Nat Biotechnol, 2004. 22(4): p. 445-9.

68. Qin, Y., N. Polacek, O. Vesper, E. Staub, E. Einfeldt, D.N. Wilson, and K.H. Nierhaus, The highly conserved LepA is a ribosomal elongation factor that back-translocates the ribosome. Cell, 2006. 127(4): p. 721-33.

69. Dahlquist, K.D. and J.D. Puglisi, Interaction of translation initiation factor IF1 with the E. coli ribosomal A site. J Mol Biol, 2000. 299(1): p. 1-15.

70. Merino, E., R.A. Jensen, and C. Yanofsky, Evolution of bacterial trp operons and their regulation. Curr Opin Microbiol, 2008. 11(2): p. 78-86.78.82.