Transfer-messenger RNA (tmRNA) Definisi, Struktur, Sifat

Read Also

Apa itu Transfer-messenger RNA (tmRNA)?

• Transfer-messenger RNA (tmRNA), juga dikenal sebagai 10Sa atau SsrA RNA, luar biasa di antara RNA bifungsional karena memiliki karakteristik tRNA dan mRNA.

• tmRNA menggunakan dua aktivitas ini untuk membebaskan ribosom yang terhenti secara translasi dan menargetkan polipeptida yang baru lahir untuk dihancurkan. Reaksi terkoordinasi ini, yang dikenal sebagai trans-translasi, membantu kontrol kualitas translasi bakteri dan regulasi ekspresi gen.

• Mutan yang kurang aktivitas tmRNA umumnya menunjukkan kelainan parah, termasuk masalah dalam viabilitas, patogenisitas, dan respons stres lingkungan.

• tmRNA berakhir melipat menjadi struktur yang mirip dengan tRNA (Ala).

• Di tempat loop antikodon, bagaimanapun, tmRNA mengandung banyak pseudoknot dan kerangka baca terbuka yang spesifik.

• Bentuk aneh ini memungkinkan tmRNA untuk berikatan dengan ribosom tertentu selama reaksi trans-translasi.

• Selama trans-translasi, tmRNA berfungsi sebagai tRNA dan pesan, menginduksi ribosom untuk melampirkan tag peptida ke terminal C dari polipeptida yang baru lahir. Proses ini mendegradasi polipeptida prekursor dan melepaskan ribosom.

• Meskipun fungsi fisiologis trans-translasi masih dipelajari, tmRNA telah diidentifikasi di setiap urutan genom bakteri dan merupakan salah satu RNA yang paling melimpah di dalam sel, menunjukkan bahwa itu memberikan keuntungan evolusioner yang signifikan di semua lingkungan yang mendukung kehidupan bakteri.

Sejarah

• Setelah fraksi elektroforesis “10S” campuran RNA Escherichia coli dipisahkan menjadi tmRNA dan RNA RNase P berukuran sama, tmRNA awalnya disebut 10Sa RNA (10Sb).

• Kehadiran pseudouridine dalam campuran RNA 10S menunjukkan bahwa tmRNA berbagi nukleotida yang dimodifikasi dengan tRNA.

• Pengurutan ssrA dari Mycobacterium tuberculosis mengungkapkan kesamaan antara ujung 3 tmRNA dan loop batang T tRNA untuk pertama kalinya.

• Perbandingan urutan selanjutnya mengungkapkan seluruh tRNA-like domain (TLD) yang dibentuk oleh ujung 5′ dan 3′ dari tmRNA, termasuk batang akseptor dengan fitur yang mirip dengan yang ada di alanin tRNA yang memfasilitasi aminoasilasinya oleh alanin-tRNA ligase.

• Ini juga menyoroti perbedaan antara tRNA dan tmRNA: lengan antikodon tidak ada pada tmRNA, dan wilayah lengan D terdiri dari loop tanpa dasar.

Sifat tmRNA

• Ujung 5′ dan 3′ tmRNA terlipat menjadi struktur yang mengandung batang akseptor dan lengan TΨC.

• Batang akseptor memiliki pasangan basa G:U, yang memungkinkannya diidentifikasi dan diisi dengan alanin oleh alanil-tRNA sintetase.

• Domain seperti tRNA terikat oleh dua protein yang diperlukan untuk aktivitas trans-translasi: SmpB, komponen khusus dari sistem trans-translasi, dan EF-Tu, yang penting untuk interaksi ribosom-ribosom.

• Bergantung pada spesiesnya, bingkai pembacaan tag mengkodekan peptida pendek dan ditempatkan dalam urutan ekstensif (>250 nt) yang mengandung 2-4 pseudoknots.

• Terlepas dari kenyataan bahwa wilayah ini diterjemahkan selama trans-translasi, ia tidak memiliki kodon awal konvensional dan tidak ada bukti bahwa ribosom dapat meluncurkan terjemahan pada bingkai pembacaan tag.

• Oleh karena itu, ini bukan kerangka baca terbuka yang asli. Panjang bingkai pembacaan tag beranotasi berkisar antara 8 hingga 35 kodon dan diakhiri dengan kodon stop.

• Namun, bingkai pembacaan tag dapat dipotong menjadi satu kodon atau diperpanjang menjadi kode untuk seluruh protein tanpa mengganggu aktivitas trans-translasi. Tidak pasti adalah fungsi dari pseudoknots di lokasi ini.

• Jika salah satu pseudoknots pada tmRNA E. coli diganti, tmRNA masih berfungsi, maka tidak ada elemen ini yang diperlukan untuk aktivitas. Namun, konservasi evolusi pseudoknots, khususnya PK1, menunjukkan bahwa mereka memiliki fungsi dalam organisme hidup.

Struktur tmRNA

tmRNA berisi domain berikut;

tRNA-Mimic Domain

• Struktur mirip tRNA (TLS) dari tmRNA dipertahankan di semua genom eubakteri yang diketahui, sering kali membentuk kompleks dua komponen.

• Transkrip utama tmRNA diproses oleh enzim pematangan tRNA, seperti RNase P, dan ujung 5′ dan 3′ lipatan tmRNA menjadi struktur yang terdiri dari batang akseptor dan lengan TC.

• Pasangan basa goyangan G:U di batang akseptor memungkinkan tmRNA diidentifikasi dan diisi dengan alanin oleh alanil-tRNAsintase.

• Selain itu, domain peniru tRNA mengandung situs pengikatan untuk komponen protein seperti alanil-tRNA sintetase, SmpB, dan EF-Tu.

Pseudoknots

• tmRNA secara signifikan lebih besar dari tRNA biasa dan tidak memiliki struktur loop batang antikodon.

• Sebaliknya, mereka terdiri dari beberapa pseudoknots (2 hingga 4, tergantung pada spesiesnya), dan domain seperti mRNA biasanya terletak di antara pseudoknots 1 dan 2. Fungsi pseudoknots di tmRNA masih diperdebatkan.

• Fakta bahwa semua tmRNA mengandung pseudoknot menunjukkan bahwa mereka memainkan fungsi penting dalam aktivitas biologis tmRNA.

• Mutasi pada pseudoknot 1, yang strukturnya diketahui, dapat membuat tmRNA tidak berguna, sedangkan mutasi pada pseudoknot lain dapat secara drastis mengurangi aktivitas tmRNA.

• Sebaliknya, varian tmRNA E. coli tanpa pseudoknots 1, 2, 3, dan/atau 4 menunjukkan aktivitas transpeptidasi in vitro.

• Selain itu, penelitian terbaru menunjukkan bahwa mengganti pseudoknot dengan struktur jepit rambut dasar meningkatkan aktivitas biologis tmRNA.

• Hasil menunjukkan bahwa mengganti RNA untai tunggal dengan pseudoknot atau mengganggu strukturnya secara substansial lebih berbahaya daripada menggantinya dengan elemen terlipat.

• Pada kenyataannya, struktur pseudoknot secara signifikan lebih penting daripada urutannya.

• Pseudoknot dilaporkan membantu pelipatan tmRNA, yang penting untuk stabilitas tmRNA, pengikatan faktor protein terkait tmRNA, dan pemeliharaan geometri terjemahan yang tepat.

mRNA-Mimic Domain

• Domain mirip mRNA terdiri dari short open reading frame (ORF) yang mengkodekan peptida sinyal hidrofobik (disebut sebagai “tag”).

• Tag ditambahkan ke polipeptida yang baru lahir ketika ribosom berubah dari kerangka baca mRNA asli ke kerangka baca tmRNA.

• Spesies bakteri yang berbeda mengkode peptida dengan panjang mulai dari 8 hingga 35 residu. Meskipun kerangka pembacaan tag diakhiri dengan kodon stop, ia tidak memiliki urutan inisiasi terjemahan dan kodon awal yang khas.

• Ada daftar lebih dari 600 urutan tag di situs web tmRNA http://www.indiana.edu/tmrna/ sekarang.

• Perbandingan 610 tag peptida dari berbagai bakteri telah mengungkapkan bias yang jelas dalam kandungan asam amino ORF: Ala dan Asp adalah asam amino yang paling umum dalam ORF, sedangkan Trp dan Cys jarang terjadi.

• Karena Trp dan Cys rentan terhadap oksidasi, komposisi asam amino ini dapat menunjukkan bahwa tmRNA dapat berfungsi secara normal bahkan dalam kondisi ekstrem seperti oksidasi.

• Selain itu, His dan Met, dua residu langka pada tag ssrA, rentan terhadap oksidasi dan perubahan lainnya.

• Namun, kodon tertentu tidak umum dalam struktur tmRNA, seperti kodon yang rentan terhadap pergeseran bingkai dan kodon indra yang rentan salah membaca sebagai kodon yang tidak masuk akal.

• 3 kodon wilayah ORF dari tmRNA terdiri dari struktur batang-loop. Meskipun mutasi yang merusak struktur loop batang tidak mencegah penyelamatan atau penandaan ribosom, penelitian baru mengungkapkan bahwa degradasi mRNA yang diselamatkan yang dimediasi oleh tmRNA membutuhkan 3 basa ORF.

• Ketika ribosom bertemu dengan kodon stop, translasi dihentikan; polipeptida kemudian dilepaskan dan dihancurkan oleh protease yang mengenali peptida sinyal terminal-C.

• Laporan terbaru menunjukkan bahwa ujung 3′ ORF diperlukan untuk degradasi mRNA nonstop. Area ini juga memfasilitasi daur ulang subunit ribosom untuk digunakan kembali dalam sintesis protein.

Mitra Protein

• tmRNA, seperti banyak RNA lainnya, membutuhkan kofaktor protein untuk aksinya.

• Banyak faktor, seperti EF-Tu, SmpB, protein ribosom S1, dan alanil-tRNA sintetase, telah ditemukan sebagai protein pengikat tmRNA dengan peran langsung dan khusus dalam tmRNA.

• Misalnya, langkah pengisian yang dikatalisis sintetase secara fungsional penting karena tmRNA yang tidak bermuatan tidak aktif.

• Penandaan in vitro yang dimediasi oleh tmRNA membutuhkan alanyl-tRNA synthetase atau alanyl-tRNA yang telah diisi sebelumnya.

• Meskipun terdapat perbedaan besar dalam ukuran dan struktur, tRNAAla dan tmRNA keduanya diisi oleh alanyl-tRNA sintetase yang sama karena batang akseptornya mencakup determinan sederhana.

• tmRNA dapat diisi oleh alanyl-tRNA sintetase saja, meskipun aminoasilasi ditingkatkan dengan adanya SmpB.

• SmpB, protein kecil yang secara khusus dan erat menempel pada tmRNA, adalah molekul penting untuk struktur, stabilitas, dan aktivitas tmRNA.

• tmRNA mengikat ribosom adalah salah satu peran yang paling penting dari SmpB dalam hal ini.

• Terlepas dari kenyataan bahwa banyak molekul SmpB dapat menempel pada satu molekul tmRNA, ada daerah afinitas tinggi dalam domain peniru tRNA yang tampaknya penting untuk interaksi.

• Ekor terminal-C dari SmpB kemungkinan penting untuk aktivitas tmRNA setelah pengikatan ribosom tetapi sebelum penyelesaian transpeptidasi, menurut analisis struktural.

• EF-Tu (faktor pemanjangan translasi) berikatan dengan tmRNA dan mendorong interaksi yang bermanfaat dengan ribosom.

• EF-Tu mengangkut Ala-tmRNA ke ribosom, mirip dengan aminoasil-tRNA dalam translasi, sehingga kompleks aa-tRNA•EF-Tu•GTP dapat sepenuhnya terhubung ke situs-A ribosom.

• Ketika GTP.EF-Tu berikatan dengan tRNA amino-acylated (aa-tRNA), ikatan ester antara asam amino bermuatan dan tRNA berkurang.

• Pasangan kodon-antikodon serumpun menginduksi hidrolisis GTP, menyebabkan perubahan konformasi, disosiasi EF-Tu•GDP, dan migrasi ujung akseptor tRNA ke pusat transfer peptidil ribosom.

• Meskipun penambahan alanin yang dimediasi tmRNA ke peptida yang terhenti dapat terjadi secara perlahan tanpa adanya EF-Tu in vitro, EF-Tu mutlak diperlukan untuk penandaan normal yang dimediasi tmRNA secara in vivo.

Fungsi tmRNA Trans-Translation

• Fungsi tmRNA seperti tRNA dan mRNA digunakan dalam satu reaksi terpadu, berbeda dengan RNA bifungsional lainnya yang dapat menggunakan peran mereka yang berbeda secara independen.

• Transfer-messenger RNA (tmRNA) adalah komponen penting dari mekanisme kontrol kualitas eubacteria. Sistem ini memantau sintesis protein dan mengaktifkan kembali ribosom yang dihentikan oleh mRNA yang rusak.

• Translasi normal pada bakteri berhenti ketika ribosom bertemu dengan salah satu dari tiga kodon stop pada cetakan mRNA.

• Rantai peptida yang baru lahir kemudian dilepaskan, dan subunit ribosom dipisahkan.

• Namun, ribosom berhenti di ujung 3 mRNA yang tidak terputus ketika mRNA template tidak memiliki kodon stop.

• Setiap generasi bakteri sering kali memiliki frekuensi penundaan translasi yang tinggi. Pada tingkat ini, jika tidak ada metode untuk menghilangkan blok translasi, seluruh kumpulan ribosom dalam sel akan dihilangkan dalam waktu kurang dari satu generasi.

• Mekanisme ini disebut “trans-translation” karena dua RNA yang beroperasi di trans membuat protein yang ditandai.

• Hanya dalam contoh trans-translasi adalah protein yang dihasilkan dari dua sinyal RNA yang berbeda. Jelas, jalur tmRNA tidak berinteraksi dengan ribosom selama translasi normal; alih-alih, ribosom yang berhenti di ujung 3′ dari mRNA yang tidak terputus memicu trans-translasi.

Trans-translasi aktivitas tmRNA Langkah-langkah

• penangkapan ribosom disebabkan oleh translasi mRNA nonstop.

• Kompleks tmRNA•SmpB menempel pada situs A dari ribosom yang terhenti dan menerima rantai yang baru lahir.

• MRNA non-stop kemudian dilepaskan dan dihancurkan secara istimewa oleh RNase R, memungkinkan terjemahan untuk memulai kembali menggunakan kerangka baca terbuka yang ditemukan di tmRNA.

• Setelah produksi peptida ssrA, translasi diakhiri oleh faktor pelepas (RF), dan ribosom didaur ulang menjadi subunit besar dan kecil.

• Sejumlah protease memecah rantai bertanda ssrA.

Regulasi aktivitas tmRNA

• tmRNA berlimpah dalam sel yang sedang berkembang, tetapi faktor stres seperti kejutan panas, kejutan dingin, dan pengembangan biofilm meningkatkan produksinya.

• C. crescentus menunjukkan regulasi tmRNA yang lebih luas, karena kelimpahan tmRNA dan SmpB bervariasi sebagai fungsi dari siklus sel.

• Tingkat tmRNA dan SmpB meningkat selama fase G1 akhir dan dengan cepat habis setelah replikasi DNA dimulai.

• tmRNA stabil dalam sel fase G1, tetapi dihancurkan oleh exonuclease RNase R pada fase S awal.

• Struktur tmRNA dapat meningkatkan kapasitas C. crescentus untuk mengatur stabilitas tmRNA. Gen yang mengkode tmRNA dalam C. crescentus diubah secara sirkular, menghasilkan tmRNA dengan dua rantai RNA.

• RNase R mengidentifikasi ujung tmRNA 3′ yang tidak seperti tRNA; oleh karena itu, struktur dua bagian tmRNA sangat penting untuk penguraiannya yang terkontrol.

• Selain -proteobacteria, setidaknya dua garis keturunan bakteri lagi memiliki tmRNA dengan permutasi sirkular. tmRNA dan SmpB C. crescentus juga diatur oleh lokalisasi subseluler.

• Hasil hibridisasi fluoresensi in situ dan imunofluoresensi menunjukkan bahwa tmRNA dan SmpB adalah heliks di dalam sel.

• RNase R dilokalisasi dengan cara yang tidak tumpang tindih, menunjukkan bahwa pelokalan dapat digunakan sebagian untuk membatasi akses RNase R ke tmRNA dan menghindari penghancuran yang tidak semestinya.

• Fungsi lokalisasi dalam trans-terjemahan masih belum jelas.

• Meskipun konservasi tmRNA pada bakteri dan persyaratan untuk trans-translasi dalam banyak sistem bakteri, tidak ada RNA bifungsional yang identik dengan tmRNA yang telah diidentifikasi dalam genom nuklir eukariota.

• Karena kemampuan proofreading mRNA yang dijelaskan di atas, kebutuhan untuk kontrol kualitas terjemahan mungkin minimal pada eukariota.

• Namun, dalam ragi, metode berbasis protein yang sebanding dengan trans-translasi telah ditetapkan.

• Dalam Saccharomyces cerevisiae, protein yang diterjemahkan dari mRNA menyimpang di mana-mana oleh ligase E3 spesifik untuk merangsang penghancuran proteasomal.

• Oleh karena itu, ada kemungkinan bahwa eukariota telah mengembangkan protein untuk menggantikan tmRNA bifungsional.

Fakta

• Transfer-messenger RNA (tmRNA) memiliki karakteristik tRNA dan mRNA.

• Dalam trans-translasi, fungsi-fungsi ini digunakan untuk melepaskan ribosom yang terhenti dan polipeptida yang baru lahir langsung menuju kehancuran.

• trans-terjemahan membantu dalam kontrol kualitas translasi dan regulasi ekspresi gen.

• tmRNA tersebar luas pada bakteri dan salah satu RNA yang paling melimpah di dalam sel.

• Fenotipe mutasi yang kurang aktivitas tmRNA parah.

References

Kazemi Nezhad, Seyed Reza & Montazeri, F. & Hoseini, Seyed Mehdi. (2015). Role of the transfer-messenger RNA pathway _ trans-translation _ in bacterial physiology. Genetics in the Third Millennium. 13. 4014-4021.

Keiler KC, Ramadoss NS. Bifunctional transfer-messenger RNA. Biochimie. 2011 Nov;93(11):1993-7. doi: 10.1016/j.biochi.2011.05.029. Epub 2011 Jun 1. PMID: 21664408; PMCID: PMC3175250.

Doherty, J., & Guo, M. (2016). Transfer RNA. Encyclopedia of Cell Biology, 309–340. doi:10.1016/b978-0-12-394447-4.10039-2