Avanceret fluorescens-mikroskopi afslører nye sider af proteins færden på ribosomet

Proteinet kaldet translationselongeringsfaktor EF-Tu er en velkendt deltager i proteinsyntese-processen. En ny videnskabelig artikel beskriver hidtil ukendte sider af dette velbeskrevne protein, som viser sig at spille en endnu større rolle for translationens nøjagtighed end hidtil antaget. Resultaterne kan få indflydelse på den medicinske og bioteknologiske udnyttelse af bakteriers proteinsynteseapparat.

17.09.2018 | Lisbeth Heilesen

Avanceret fluorescensmikroskopi har vist, at strukturændringen på ribosomet af proteinet kaldet EF-Tu er langt mindre end tidligere antaget. Foto: Yale E. Goldman.

Afkodning af det genetiske budskab på ribosomet. Figuren viser, hvordan aa-tRNA (bøjet rød linie) afleveres af EF-Tu (grøn) på ribosomet (lyseblå) i en trinvis proces, som kan følges ved hjælp af avanceret fluorescens-mikroskopi. I trin I bindes aa-tRNA i kompleks med EF-Tu·GTP i nærheden af det ribosomale A-site. I trin II foretages den første test af, om kodon og anti-kodon passer sammen, hvilket kan føre til hydrolysen af GTP bundet af EF-Tu. Efter endnu en korrekturlæsning af aa-tRNAs antikodon i trin III bliver aa-tRNAet optaget helt I det ribosomale A-site med assistance fra EF-Tu, som begynder at ændre form i dette trin. EF-Tu fuldender først sin strukturelle ændring efter at have forladt ribosomet i trin IV. Figur: Chunlai Chen og Charlotte Rohde Knudsen.

Proteiner er livsvigtige for opbygningen og vedligeholdelsen af væv og celler. Proteiner består af aminosyrer, som er sammenkædet i den rækkefølge, som den genetiske proteinopskrift foreskriver. Overordnet set foregår oversættelsen af proteinopskriften (kaldet translation) på samme måde i alle typer af celler - uanset om det drejer sig om bakterieceller eller cellerne i et menneskes krop.

Alle celler indeholder proteinsyntesefabrikker, kaldet ribosomer, som kan programmeres med den genetiske opskrift (kaldet messenger RNA eller mRNA) på det protein, som skal produceres. Ribosomerne får desuden hjælp af tRNA-molekyler og proteinfaktorer, når der skal laves nye proteiner til cellen. tRNA-molekylerne er påsat en aminosyre i den ene ende (kaldes aminoacyl-tRNA eller blot aa-tRNA), og i den anden ende findes et antikodon, som kan afkode aminosyrekoden i mRNA, hvor ét kodon koder for én aminosyre.

Den velkendte proteinsynteseproces

I bakterier finder vi elongeringsfaktor EF-Tu, som er et protein, der hjælper ribosomet med at lave nye proteiner. EF-Tu er en GTPase dvs. proteinet kan binde til guanosin-trifosfat, GTP, og spalte det til guanosis-difosfat, GDP. I eukaryote celler findes et tilsvarende protein ved navn eEF1A. EF-Tu’s funktion er beskrevet, som følger, i de fleste grundlæggende lærebøger inden for molekylærbiologien (se figur 2):

Når EF-Tu er bundet til GTP, kan faktoren transportere aa-tRNA-molekyler til det mRNA-programmerede ribosom (trin I). Her afleveres aa-tRNA’et tæt på det såkaldte A-site, hvor afkodningen af det genetiske budskab foregår. I A-site kontrolleres det, at kodon på mRNA og antikodon på det nyankomne tRNA passer sammen (trin II). Hvis dette er tilfældet, sender ribosomet besked til EF-Tu om at spalte den bundne GTP, hvilket medfører en stor strukturel ændring i EF-Tu (trin III). Dette får EF-Tu til at give slip på det bundne aa-tRNA og forlade ribosomet (trin IV). Aa-tRNA’et ”falder på plads” i ribosomets A-site, hvor aminosyren på tRNA’et kobles på den voksende proteinkæde (trin III).

Skal lærebogen skrives om?

Et dansk-amerikansk forskningssamarbejde har nu vist, at ovenstående beskrivelse af EF-Tu’s funktion under afkodningen af det genetiske budskab er for simpel. Avanceret fluorescensmikroskopi (total internal reflection fluorescence microscopy; figur 1) har vist, at EF-Tu’s strukturændring på ribosomet er langt mindre end tidligere antaget (trin III).  Ændringens hastighed afhænger desuden af, hvorvidt kodon og antikodon i A-site matcher. Det nye studium indikerer således, at EF-Tu hele to gange bidrager til at tjekke, om kodon og antikodon matcher hinanden i det ribosomale A-site – såvel før som efter spaltningen af GTP (dvs. i både trin II og III). EF-Tu med et korrekt aa-tRNA bliver længere på ribosomet, og er sandsynligvis med til at ”skubbe” aa-tRNA’et på plads i A-site (trin III). Studiet indikerer desuden, at EF-Tu først fuldender sin strukturelle ændring efter af have forladt ribosomet (trin IV).

Ny viden om EF-Tu’s funktion har såvel medicinske som bioteknologiske anvendelsesaspekter. EF-Tu’s funktion kan hæmmes af fire klasser af antibiotika – ingen af disse anvendes dog i medicinske behandlinger i dag. Ny viden om EF-Tu’s rolle som korrekturlæser under translationen af det genetiske budskab kan inspirere til nye måder at behandle bakterieinfektioner. Herudover bruges det bakterielle proteinsynteseapparat til produktion af proteiner i såvel laboratorie- som industriel skala. Ny viden om bakteriernes proteinsynteseapparat kan være med til at forbedre både denne produktions kvalitet og kvantitet. EF-Tu har bl.a. betydning for produktion af modificerede proteiner indeholdende unaturlige aminosyrer.


Den videnskabelige artikel er netop publiceret i det internationale tidsskrift Nucleic Acids Research:

“Structural dynamics of translation elongation factor Tu during aa-tRNA delivery to the ribosome”
Darius Kavaliauskas, Chunlai Chen, Wei Liu, Barry S. Cooperman, Yale E. Goldman and Charlotte R. Knudsen

https://doi.org/10.1093/nar/gky651


Mere information

Lektor Charlotte Rohde Knudsen – 2057 2372 - crk@mbg.au.dk
Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet

Forskning