氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别

氨酰-tRNA合成酶(aaRS)与tRNA的相互作用保证了蛋白质生物合成的忠实性. 氨酰-tRNA合成酶对tRNA识别的专一性依赖于aaRS特定的催化结构域和tRNA分子特异的三级结构构象. 反密码子和接受茎(包括73位)在大多数aaRS对tRNA分子的识别过程中起着关键作用, 其他部位如可变口袋、可变(茎)环等, 甚至修饰核苷酸对于一些识别过程也有重要作用.     

氨基酰-tRNA合成酶与神经退行性疾病

氨基酰-tRNA合成酶催化tRNA的氨基酰化反应为生物体内的蛋白质合成提供原料.这类古老且保守的蛋白质分子在高等生物复杂的细胞分子网络中分化出的新功能是目前人们关注的焦点.近期在对一些患有神经退行性疾病的病人和小鼠模型的研究中发现,位于酪氨酰-tRNA合成酶、甘氨酰-tRNA合成酶和丙氨酰-tRNA合成酶上的突变,可分别导致DI腓骨肌萎缩症(Charcot-Marie-Toothdisease,CMT)C型,腓骨肌萎缩症2D型及小脑浦肯雅(Purkinje)细胞丢失.初步的致病机理研究表明,致病突变对这3种酶的影响各不相同:酪氨酰-tRNA合成酶的氨基酰化催化能力受到影响,甘氨酰-tRNA合成酶受影响的可能是一种未知的新功能,而丙氨酰-tRNA合成酶受影响的则是它的编校功能.这些研究结果揭示了氨基酰-tRNA合成酶涉及神经退行性疾病的广泛性和其机制的复杂性,并将促进对神经退行性疾病这一类常见疾病的病理和治疗方法的研究.     

氨酰-tRNA合成酶的进化差异

大量研究显示,细菌与真核生物中的许多氨酰-tRNA合成酶(aaRS)在一些细菌与真核生物中的基因进化机制与模式、氨酰化途径和结构与功能的进化模式等方面往往有着明显的差异。通过对这些差异的深入研究,对于理解蛋白质的结构与功能的进化将是非常有帮助的。虽然造成这些差异的机制目前仍不清楚,但是,所有的这些差异似乎提示,在细菌与真核生物的一些基本生命活动过程中的某些方面,可能还存在着目前尚未被人们所认识到的较大差异。     

家蚕氨酰-tRNA合成酶基因分析

为了探讨家蚕氨酰-tRNA合成酶(BmaaRS)基因的数目、种类、结构及起源, 利用家蚕基因组数据和EST数据进行了BmaaRS基因的电子克隆, 结果表明, 家蚕核基因组中含有2套不同的aaRS核基因, 分别编码线粒体和细胞质BmaaRS, 但编码线粒体BmSerRS的基因有2个, 可能缺少编码细胞质的BmHisRS基因和编码线粒体的BmGlnRS、BmLysRS、BmGlyRS和BmThrRS基因, 这些基因的功能可能由具有相似功能的其他蛋白完成, 或通过某个BmaaRS基因的可变剪接分别形成不同功能的BmaaRS。EST证据表明, BmaaRS基因存在不同形式的可变剪接; BmaaRS氨基酸序列的相似性及二、三级结构分析表明部分BmaaRS存在结构域的扩增, 有些不同的BmaaRS具有相同结构域, 相同功能的BmaaRS具有相似的三级结构; 进化分析表明, BmaaRS为2套不同来源的BmaaRS基因编码, 细胞质和线粒体BmaaRS的起源不同。     

八肋游仆虫氨酰-tRNA合成酶基因序列分析

氨酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS) 是蛋白质生物合成中的关键酶,能够催化特定的氨基酸和相应tRNA结合。为了研究八肋游仆虫氨酰 tRNA合成酶(Euplotes octocarinatus aminoacyl-tRNA synthetase, EoaaRS)基因的种类、数目、结构及起源,本研究利用生物信息学方法,对八肋游仆虫大核基因组编码的aaRS进行了系统分析。结果表明,八肋游仆虫大核基因组共包含45个aaRS基因,可编码20种不同的aaRS蛋白。其中,EoGlnRS和EoAlaRS仅由1个基因编码,其余EoaaRS均由多个基因编码。亚细胞定位分析显示,仅8个EoaaRS具有线粒体导肽,对应于6种EoaaRS。此外,基于核酸序列分析显示,多个EoaaRS在翻译过程中需要发生编程性核糖体移码,才能形成结构完整的蛋白质产物。结构域分析表明,部分EoaaRS存在特殊结构域,暗示其可能具有氨酰化以外的新功能。进化分析揭示,2个EoGlyRS起源于古菌,而2个EoLysRS起源于细菌。本研究为后续探讨低等真核生物aaRS的结构与功能奠定了基础。     

氨酰-tRNA合成酶的研究进展

氨酰-tRNA合成酶催化特异的氨基酸与同源tRNA氨酰化,从而保证了遗传密码翻译的忠实性。这些古老而保守的蛋白质分子除了具有酶的功能外,在哺乳动物细胞中还发现了多种其他功能,具有重要的应用价值。在寻找具有全新作用机制的新抗生素以应对日益严重的抗生素耐药现象过程中,氨酰-tRNA合成酶是细菌蛋白质合成过程中重要的、新颖的靶标,成为关注的重点。定向突变的氨酰-tRNA合成酶可以用来定点掺入非天然氨基酸,扩展蛋白质工程。今后,随着人们对氨酰-tRNA合成酶研究的不断深入,它们还可能用来治疗肿瘤等多种疾病。     

两种具有调节血管生成作用的氨基酰-tRNA合成酶

氨基酰-tRNA合成酶是生物体内蛋白质合成过程中的一类关键酶,它催化体内tRNA的氨基酰化反应.作为一类古老的蛋白质,氨基酰-tRNA合成酶在其漫长的进化过程中,通过其他结构域的插入或融合逐渐演化出许多新的功能.最近的研究结果表明,人酪氨酰-tRNA合成酶的片段具有促进血管生成的功能,而人色氨酰-tRNA合成酶的片段则具有抑制血管生长的功能.在哺乳动物细胞中,蛋白质的生物合成途径与细胞信号转导途径紧密相连.今后,随着对氨基酰-tRNA合成酶研究的不断深入,可以通过它们与细胞因子和信号转导相连的功能治疗人类的疾病.     

苯丙氨酰-tRNA合成酶的进化与结构域丢失

基因的复制、融合以及基因的水平转移是许多蛋白质包括氨酰 tRNA合成酶 (aminoacyl tRNAsynthetase ,AARS)进化过程中的常见事件。然而作者研究的结果显示 ,苯丙氨酰 tRNA合成酶 (phenylalanyl tRNAsynthetase,PheRS)的进化主要表现为一些结构域的丢失 ;并且这种结构域的丢失不影响PheRS的功能或活性。通常在生物从细菌到真核生物的进化过程中 ,其基因组的大小和基因的数目都有所增加 ,然而有趣的是 ,真核生物中PheRS的结构域类型和数目都明显少于细菌的PheRS。PheRS通过结构域的丢失而进化的现象 ,似乎与某些AARS功能由多重专一性向单一专一性的演化有着“异曲同工”之妙。     

八肋游仆虫氨酰-tRNA合成酶基因序列分析北大核心CSCD

氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase,aaRS)是蛋白质生物合成中的关键酶,能够催化特定的氨基酸和相应tRNA结合。为了研究八肋游仆虫氨酰-tRNA合成酶(Euplotes octocarinatus aminoacyl-tRNA synthetase,EoaaRS)基因的种类、数目、结构及起源,本研究利用生物信息学方法,对八肋游仆虫大核基因组编码的aaRS进行了系统分析。结果表明,八肋游仆虫大核基因组共包含45个aaRS基因,可编码20种不同的aaRS蛋白。其中,Eo GlnRS和Eo AlaRS仅由1个基因编码,其余EoaaRS均由多个基因编码。亚细胞定位分析显示,仅8个EoaaRS具有线粒体导肽,对应于6种EoaaRS。此外,基于核酸序列分析显示,多个EoaaRS在翻译过程中需要发生编程性核糖体移码,才能形成结构完整的蛋白质产物。结构域分析表明,部分EoaaRS存在特殊结构域,暗示其可能具有氨酰化以外的新功能。进化分析揭示,2个Eo GlyRS起源于古菌,而2个Eo LysRS起源于细菌。本研究为后续探讨低等真核生物aaRS的结构与功能奠定了基础。     

氨基酰-tRNA合成酶与神经系统疾病

氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)催化tRNA氨基酰化反应与编校反应,合成正确的氨基酰-tRNA,为蛋白质生物合成提供原料。高等生物的aaRS获得了除蛋白质合成之外的非经典功能。近年来,随着基因组测序和外显子测序技术的发展和新增临床病例的发现,aaRS基因突变被报道与多种神经系统疾病相关。该文将简要介绍已报道的与aaRS基因突变相关的神经系统疾病,并总结aaRS基因突变导致神经系统疾病机制的研究进展;还将讨论神经系统疾病模型在aaRS非经典功能研究和新药设计中的潜在应用。     

氨酰tRNA合成酶的分子网络和功能

氨酰tRNA合成酶是生命进化过程中最早出现的一类蛋白质,氨酰tRNA合成酶帮助氨基酸转移到相应的tRNA上,进而参与蛋白质的合成保证了生命体的严谨性和多样性.随着后基因组时代的到来,氨酰tRNA合成酶的结构和功能成为新的研究热点.结构生物学和生物信息学的研究结果表明,氨酰tRNA合成酶在真核生物体内以多聚复合物的形式行使功能,形成复杂的分子网络体系.最新的实验证据显示,氨酰tRNA合成酶不但是蛋白质合成过程中一类最重要的酶,而且参与了转录、翻译水平的调控、RNA剪接、信号传导和免疫应答等众多生命活动.     

氨基酰tRNA合成酶的经典与非经典酶活性

氨基酰tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetases,aaRS）家族的经典功能是催化氨基酸与对应tRNA结合,形成氨基酰tRNA,参与蛋白质合成。aaRS在进化过程中不断增加与氨基酰化功能无关的新结构域,其亚细胞器定位也受到营养、压力信号、参与调控血管新生和炎症反应等内外部信号调控,且不同aaRS的突变导致不同人类疾病,提示aaRS具有信号传导功能,但缺少具体的生化机制。最新发现aaRS具有氨基酰转移酶活性。一种氨基酸可以被其对应的aaRS活化成氨基酰AMP,氨基酰AMP可以修饰与该aaRS相互作用蛋白质的赖氨酸,传递该氨基酸的丰度及结构信息,调控细胞信号网络。aaRS新功能的发现和研究,为解释aaRS的生理病理重要性提供新的方向。本文综述aaRS的进化及非经典功能,讨论aaRS氨基酰转移酶活性在细胞信号传导及其与疾病的相关性,也包括药物开发潜力。     

Competition of Ethionine and Methionine for Aminoacyl-tRNA Formation in an In Vitro System from Ochromonas danica*

Aminoacyl-tRNA synthetase and tRNA were isolated from the chrysomonad Ochromonas danica. The mutual effect of methionine and ethionine, and the effect of other amino acids on methionyl- and ethionyl-tRNA formation, were tested in an in vitro system. The tRNA^Met had a similar accepting capacity for either methionine or ethionine. Ethionine and methionine, but none of the other amino acids tested, competed for the same aminoacyl-tRNA synthetase. The K_m of methionine was 0.88 × 10^–5 M, and that of ethionine 5 × 10^–4 M. Ethionine inhibited methionine binding; K_i 3.4 × 10^–4 M. The respective values in a similar system isolated from E. coli were 2.2 × 10^–5, 1.95 × 10^–3, and 1.95 × 10^–3.     

Coevolution of Specificity Determinants in Eukaryotic Glutamyl- and Glutaminyl-tRNA Synthetases

The glutaminyl-tRNA synthetase (GlnRS) enzyme, which pairs glutamine with tRNA^Gln for protein synthesis, evolved by gene duplication in early eukaryotes from a nondiscriminating glutamyl-tRNA synthetase (GluRS) that aminoacylates both tRNA^Gln and tRNA^Glu with glutamate. This ancient GluRS also separately differentiated to exclude tRNA^Gln as a substrate, and the resulting discriminating GluRS and GlnRS further acquired additional protein domains assisting function in cis (the GlnRS N-terminal Yqey domain) or in trans (the Arc1p protein associating with GluRS). These added domains are absent in contemporary bacterial GlnRS and GluRS. Here, using Saccharomyces cerevisiae enzymes as models, we find that the eukaryote-specific protein domains substantially influence amino acid binding, tRNA binding and aminoacylation efficiency, but they play no role in either specific nucleotide readout or discrimination against noncognate tRNA. Eukaryotic tRNA^Gln and tRNA^Glu recognition determinants are found in equivalent positions and are mutually exclusive to a significant degree, with key nucleotides located adjacent to portions of the protein structure that differentiated during the evolution of archaeal nondiscriminating GluRS to GlnRS. These findings provide important corroboration for the evolutionary model and suggest that the added eukaryotic domains arose in response to distinctive selective pressures associated with the greater complexity of the eukaryotic translational apparatus. We also find that the affinity of GluRS for glutamate is significantly increased when Arc1p is not associated with the enzyme. This is consistent with the lower concentration of intracellular glutamate and the dissociation of the Arc1p:GluRS complex upon the diauxic shift to respiratory conditions.     

On the Relative Content of G,C Bases in Codons of Amino Acids Corresponding to Class I and II Aminoacyl-tRNA Synthetases

We have analyzed the relative G,C content from protein coding regions of 530 organisms and found that the ratio of the G,C content of the codons of the amino acids correspondingto Class II and Class I aminoacyl-tRNA synthetases decreases in a statistically significant way from prokaryotes to animals.This can be interpreted assuming that an initial asymmetry between the G,C content of codons of Class I and II amino acids existed and has decreased in the course of evolution.     

Aminoacylation of RNA Minihelices: Implications for tRNA Synthetase Structural Design and Evolution

Abstract

The genetic code is based on the aminoacylation of tRNA with amino acids catalyzed by the aminoacyl-tRNA synthetases. The synthetases are constructed from discrete domains and all synthetases possess a core catalytic domain that catalyzes amino acid activation, binds the acceptor stem of tRNA, and transfers the amino acid to tRNA. Fused to the core domain are additional domains that mediate RNA interactions distal to the acceptor stem. Several synthetases catalyze the aminoacylation of RNA oligonucleotide substrates that recreate only the tRNA acceptor stems. In one case, a relatively small catalytic domain catalyzes the aminoacylation of these substrates independent of the rest of the protein. Thus, the active site domain may represent a primordial synthetase in which polypeptide insertions that mediate RNA acceptor stem interactions are tightly integrated with determinants for aminoacyl adenylate synthesis. The relationship between nucleotide sequences in small RNA oligonucleotides and the specific amino acids that are attached to these oligonucleotides could constitute a second genetic code.