Aminoacil tRNA sintetase - Aminoacyl tRNA synthetase

Domínio de ligação de anticódon de tRNA
PDB 1obc EBI.jpg
leucil-tRNA sintetase de Thermus thermophilus complexada com um análogo de substrato de edição pós-transferência
Identificadores
Símbolo Anticodon_2
Pfam PF08264
InterPro IPR013155
SCOP2 1ivs / SCOPe / SUPFAM
Domínio de ligação 1 de anticódon DALR
PDB 1iq0 EBI.jpg
Thermus thermophilus arginyl-trna sintetase
Identificadores
Símbolo DALR_1
Pfam PF05746
Clã Pfam CL0258
InterPro IPR008909
SCOP2 1bs2 / SCOPe / SUPFAM
Domínio de ligação 2 de anticódon DALR
PDB 1u0b EBI.jpg
estrutura cristalina do complexo binário cisteinil-tRNA sintetase com tRNA Cys
Identificadores
Símbolo DALR_2
Pfam PF09190
Clã Pfam CL0258
InterPro IPR015273

Uma aminoacil-tRNA sintetase ( aaRS ou ARS ), também chamada de tRNA-ligase, é uma enzima que liga o aminoácido apropriado ao seu tRNA correspondente . Ele faz isso catalisando a transesterificação de um aminoácido cognato específico ou seu precursor em um de todos os seus tRNAs cognatos compatíveis para formar um aminoacil-tRNA . Em humanos, os 20 diferentes tipos de aa-tRNA são produzidos pelas 20 diferentes aminoacil-tRNA sintetases, uma para cada aminoácido do código genético .

Isso às vezes é chamado de "carregar" ou "carregar" o tRNA com um aminoácido. Uma vez que o tRNA é carregado, um ribossomo pode transferir o aminoácido do tRNA para um peptídeo em crescimento , de acordo com o código genético. O aminoacil tRNA, portanto, desempenha um papel importante na tradução do RNA , a expressão de genes para criar proteínas.

Mecanismo

A sintetase primeiro liga ATP e o aminoácido correspondente (ou seu precursor) para formar um aminoacil-adenilato, liberando pirofosfato inorgânico (PPi). O complexo adenilato-aaRS então se liga ao braço D da molécula de tRNA apropriada , e o aminoácido é transferido do aa-AMP para 2'- ou 3'-OH do último nucleotídeo de tRNA (A76) no 3'- fim.

O mecanismo pode ser resumido na seguinte série de reações:

  1. Aminoácido + ATP → Aminoacil-AMP + PPi
  2. Aminoacil-AMP + tRNA → Aminoacil-tRNA + AMP

Somando as reações, a reação geral altamente exergônica é a seguinte:

  • Aminoácido + tRNA + ATP → Aminoacil-tRNA + AMP + PPi

Algumas sintetases também medeiam uma reação de edição para garantir a alta fidelidade da carga de tRNA. Se o tRNA incorreto for adicionado (também conhecido como o tRNA é considerado impropriamente carregado), a ligação aminoacil-tRNA é hidrolisada . Isso pode acontecer quando dois aminoácidos têm propriedades diferentes, mesmo que tenham formas semelhantes - como é o caso da valina e da treonina .

A precisão da aminoacil-tRNA sintetase é tão alta que muitas vezes é associada à palavra "superespecificidade" quando comparada a outras enzimas que estão envolvidas no metabolismo. Embora nem todas as sintetases tenham um domínio com o único propósito de edição, elas fazem por ter ligação específica e ativação de seus aminoácidos afiliados. Outra contribuição para a precisão dessas sintetases é a proporção das concentrações de aminoacil-tRNA sintetase e seu tRNA cognato. Uma vez que a tRNA sintetase acila inadequadamente o tRNA quando a sintetase é superproduzida , deve existir um limite nos níveis de aaRSs e tRNAs in vivo.

Aulas

Existem duas classes de aminoacil tRNA sintetase, cada uma composta por dez enzimas:

  • A classe I tem dois motivos de sequência altamente conservados. Ele aminoacila no 2'-OH de um nucleotídeo de adenosina terminal no tRNA, e geralmente é monomérico ou dimérico (uma ou duas subunidades, respectivamente).
  • A Classe II tem três motivos de sequência altamente conservados. Ele aminoacila no 3'-OH de uma adenosina terminal no tRNA e geralmente é dimérico ou tetramérico (duas ou quatro subunidades, respectivamente). Embora a fenilalanina-tRNA sintetase seja classe II, ela aminoacila no 2'-OH.

Os aminoácidos são ligados ao grupo hidroxila (-OH) da adenosina por meio do grupo carboxila (-COOH).

Independentemente de onde o aminoacil está inicialmente ligado ao nucleotídeo, o 2'- O -aminoacil-tRNA acabará migrando para a posição 3 'por meio de transesterificação .

Uma estrutura geral de uma aminoacil-tRNA sintetase é mostrada aqui com um local de edição, bem como um local de ativação. A principal diferença entre as sintetases de classe I e classe II é o local de ativação. Aqui você pode ver a estrutura geral da dobra de Rossmann vista nos aaRSs da classe I e a estrutura geral das folhas beta antiparalelas vistas nos aaRSs da classe II.
Alinhamento dos domínios principais de aminoacil-tRNA sintetases classe I e classe II. Os resíduos essenciais do local de ligação (suportes da espinha dorsal e pinças de arginina) são coloridos. Os resíduos N-terminal são destacados em azul, C-terminal em vermelho.

Estruturas

Ambas as classes de aminoacil-tRNA sintetases são proteínas de múltiplos domínios . Em um cenário típico, um aaRS consiste em um domínio catalítico (onde ambas as reações ocorrem) e um domínio de ligação do anticódon (que interage principalmente com a região do anticódon do tRNA). Os RNAs de transferência para diferentes aminoácidos diferem não apenas em seu anticódon, mas também em outros pontos, dando-lhes configurações gerais ligeiramente diferentes. As aminoacil-tRNA sintetases reconhecem os tRNAs corretos principalmente por meio de sua configuração geral, não apenas por meio de seu anticódon. Além disso, alguns aaRSs têm domínios de ligação de RNA adicionais e domínios de edição que clivam moléculas de aminoacil-tRNA emparelhadas incorretamente.

Os domínios catalíticos de todos os aaRSs de uma determinada classe são homólogos uns aos outros, enquanto os aaRSs de classe I e II não estão relacionados entre si. Os aaRSs de classe I têm a onipresente dobra de Rossmann e a arquitetura de fitas beta paralelas, enquanto os aaRSs de classe II têm uma dobra única composta de fitas beta antiparalelas.

O domínio de ligação do anticódon alfa helicoidal das sintetases de Arginil, Glicil e Cisteinil-tRNA é conhecido como domínio DALR após aminoácidos conservados característicos .

As aminoacil-tRNA sintetases foram estudadas cineticamente, mostrando que os íons Mg2 + desempenham um papel catalítico ativo e, portanto, os aaRs têm um grau de dependência do magnésio. O aumento da concentração de Mg2 + leva a um aumento nas constantes de equilíbrio para as reações das aminoacil-tRNA sintetases. Embora essa tendência tenha sido observada nas sintetases da classe I e da classe II, a dependência do magnésio para as duas classes é muito distinta. As sintetases de classe II têm dois ou três (mais freqüentemente três) íons Mg2 +, enquanto a classe I requer apenas um íon Mg2 +.

Além de sua falta de sequência geral e similaridade de estrutura, as sintetases de classe I e classe II apresentam diferentes mecanismos de reconhecimento de ATP. Enquanto a classe I se liga por meio de interações mediadas por ligações de hidrogênio da estrutura principal, a classe II usa um par de resíduos de arginina para estabelecer pontes de sal para seu ligante de ATP. Esta implementação de oposição se manifesta em dois motivos estruturais, os suportes de espinha dorsal e as pinças de arginina, que são observáveis ​​em todas as estruturas de classe I e classe II, respectivamente. A alta conservação estrutural desses motivos sugere que eles devem estar presentes desde os tempos antigos.

Evolução

A maioria dos aaRSs de uma dada especificidade são evolutivamente mais próximos uns dos outros do que aaRSs de outra especificidade. No entanto, AsnRS e GlnRS agrupam-se em AspRS e GluRS, respectivamente. A maioria dos aaRSs de uma determinada especificidade também pertence a uma única classe. No entanto, existem duas versões distintas do LysRS - uma pertencente à família da classe I e a outra pertencente à família da classe II.

As filogenias moleculares de aaRSs muitas vezes não são consistentes com as filogenias de organismo aceitas . Ou seja, eles violam o chamado padrão filogenético canônico mostrado pela maioria das outras enzimas para os três domínios da vida - Archaea , Bacteria e Eukarya . Além disso, as filogenias inferidas para aaRSs de diferentes aminoácidos frequentemente não concordam entre si. Além disso, Aars parálogos dentro das mesmas espécies apresentam um elevado grau de divergência entre eles. Essas são indicações claras de que a transferência horizontal ocorreu várias vezes durante a história evolutiva dos aaRSs.

Uma crença generalizada na estabilidade evolutiva dessa superfamília, o que significa que todo organismo tem todos os aaRSs para seus aminoácidos correspondentes, é mal concebida. Uma análise genômica em grande escala em ~ 2500 genomas procarióticos mostrou que muitos deles perdem um ou mais genes aaRS, enquanto muitos genomas têm 1 ou mais parálogos. AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS e ValRS são os membros evolutivamente mais estáveis ​​da família. GluRS, LysRS e CysRS costumam ter parálogos, enquanto AsnRS, GlnRS, PylRS e SepRS costumam estar ausentes em muitos genomas.

Com exceção do AlaRS, foi descoberto que 19 dos 20 aaRSs humanos adicionaram pelo menos um novo domínio ou motivo. Esses novos domínios e motivos variam em função e são observados em várias formas de vida. Uma nova função comum dentro dos aaRSs humanos é fornecer regulação adicional de processos biológicos. Existe uma teoria de que o número crescente de aaRSs que adicionam domínios é devido à evolução contínua de organismos superiores com blocos de construção e mecanismos biológicos mais complexos e eficientes. Uma evidência importante para essa teoria é que, depois que um novo domínio é adicionado a um aaRS, o domínio se torna totalmente integrado. A funcionalidade deste novo domínio é conservada a partir desse ponto.

À medida que a eficiência genética evoluiu em organismos superiores, foram adicionados 13 novos domínios sem associação óbvia com a atividade catalítica dos genes aaRSs.

Aplicação em biotecnologia

Em algumas das aminoacil tRNA sintetases, a cavidade que contém o aminoácido pode ser mutada e modificada para transportar aminoácidos não naturais sintetizados em laboratório e anexá-los a tRNAs específicos. Isso expande o código genético, além dos vinte aminoácidos canônicos encontrados na natureza, para incluir também um aminoácido não natural. O aminoácido não natural é codificado por um tripleto sem sentido (TAG, TGA, TAA), um códon quádruplo ou, em alguns casos, um códon raro redundante. O organismo que expressa a sintetase mutante pode então ser programado geneticamente para incorporar o aminoácido não natural em qualquer posição desejada em qualquer proteína de interesse, permitindo que bioquímicos ou biólogos estruturais investiguem ou alterem a função da proteína. Por exemplo, pode-se começar com o gene para uma proteína que se liga a uma determinada sequência de DNA e, ao direcionar um aminoácido não natural com uma cadeia lateral reativa para o local de ligação, criar uma nova proteína que corta o DNA no alvo -sequência, em vez de vinculá-la.

Ao mutar as aminoacil tRNA sintetases, os químicos expandiram os códigos genéticos de vários organismos para incluir aminoácidos sintetizados em laboratório com todos os tipos de propriedades úteis: fotorreativo, quelante de metal, quelante de xenônio, reticulação, ressonante de spin, fluorescente, biotinilado e aminoácidos redox-ativos. Outro uso é a introdução de aminoácidos contendo grupos funcionais reativos para modificar quimicamente a proteína alvo.

A causa de certas doenças (como patologias neuronais, câncer, distúrbios metabólicos e distúrbios autoimunes) foram correlacionados a mutações específicas de aminoacil-tRNA sintetases. Charcot-Marie-Tooth (CMT) é o distúrbio hereditário mais frequente do sistema nervoso periférico (uma doença neuronal) e é causado por uma mutação hereditária no glicol-tRNA e tirosil-tRNA. Diabetes, uma doença metabólica, induz estresse oxidativo, que desencadeia um acúmulo de mutações no tRNA mitocondrial. Também foi descoberto que as sintetases de tRNA podem estar parcialmente envolvidas na etiologia do câncer. Um alto nível de expressão ou modificação de aaRSs foi observado em uma variedade de cânceres. Um resultado comum de mutações de aaRSs é uma perturbação da forma / formação do dímero que tem uma relação direta com sua função. Essas correlações entre aaRSs e certas doenças abriram uma nova porta para a síntese de terapêuticas.

Domínios não catalíticos

As novas adições de domínio aos genes aaRS são cumulativas e progressivas na Árvore da Vida . A forte pressão evolutiva para esses pequenos domínios de proteínas não catalíticas sugeriu sua importância. Descobertas iniciadas em 1999 e posteriormente revelaram uma camada de biologia anteriormente não reconhecida: essas proteínas controlam a expressão gênica dentro da célula de origem e, quando liberadas, exercem controle homeostático e de desenvolvimento em tipos específicos de células, tecidos e órgãos humanos durante o desenvolvimento adulto ou fetal, ou ambos, incluindo vias associadas à angiogênese , inflamação , a resposta imune , o alvo mecanístico da rapamicina (mTOR) sinalização, apoptose , tumorigênese e interferon gama (IFN- γ ) e sinalização de p53 .

Clínico

Mutações na enzima mitocondrial foram associadas a uma série de doenças genéticas, incluindo síndrome de Leigh , síndrome de West e CAGSSS ( catarata , deficiência de hormônio do crescimento , neuropatia sensorial , perda auditiva neurossensorial e síndrome da disfasia esquelética).

Servidores de previsão

  • ICAARS : B. Pawar, e GPS Raghava (2010) Predição e classificação de aminoacil tRNA sintetases usando domínios PRÓSITE. BMC Genomics 2010, 11: 507
  • MARSpred : Panwar B, Raghava GP (maio de 2012). "Predição da localização sub-celular de tRNA sintetases de suas estruturas primárias". Aminoácidos . 42 (5): 1703–13. doi : 10.1007 / s00726-011-0872-8 . PMID  21400228 . S2CID  2996097 .
  • Banco de dados AARS procariótico : Chaliotis, et al. (Fevereiro de 2017). "A complexa história evolutiva das aminoacil-tRNA sintetases" . Nucleic Acids Res . 45 (3): 1059–1068. doi : 10.1093 / nar / gkw1182 . PMC  5388404 . PMID  28180287 .

Veja também

Referências

links externos

Este artigo incorpora texto de domínio público Pfam e InterPro : IPR015273
Este artigo incorpora texto de domínio público Pfam e InterPro : IPR008909