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Translation (Biologie)
Das Ribosom dekodiert die Basensequenz der mRNA anhand des genetischen Codes in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Polypeptids. Dieser Prozess ist …
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Bedeutung und Grundprinzip
Translation ist die Synthese von Proteinen an Ribosomen nach Vorgabe genetischer Information. Sie ist ein zentraler Teil der Genexpression und folgt auf die Transkription: Dabei wird die Information eines DNA-Abschnitts auf Messenger-RNA (mRNA) übertragen. Im Zytoplasma steuert die mRNA dann die Proteinsynthese.
Das Ribosom liest die mRNA in 5'→3'-Richtung. Je drei aufeinanderfolgende Nukleotide bilden ein Codon, das nach dem genetischen Code für eine bestimmte Aminosäure steht. Transfer-RNAs (tRNAs) bringen die passenden Aminosäuren: Ihr Anticodon bindet komplementär an das Codon der mRNA, während die Aminosäure am Akzeptorarm der tRNA sitzt. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen beladen tRNAs jeweils mit der passenden Aminosäure.
So entsteht in der vorgegebenen Reihenfolge eine Polypeptidkette, also eine Kette aus Aminosäuren. Sie wächst vom N- zum C-Terminus. Nach der Translation faltet sich das Peptid meist zum nativen Protein mit Sekundär- und Tertiärstruktur; gegebenenfalls entstehen mit weiteren Proteinen Quartärstrukturen. mRNA wird meist mehrfach abgelesen, bevor Nucleasen sie in Ribonucleotide zerlegen.
tRNAs und Ribosomen
Obwohl 61 Codons für 20 kanonische proteinogene Aminosäuren existieren, sind nicht 61 tRNA-Arten nötig. Bakterien benötigen bereits 31 verschiedene Anticodons; die etwa 600 tRNA-Gene des Menschen stellen 48 verschiedene Anticodons dar. Manche tRNAs erkennen mehrere Codons derselben Aminosäure. Bei der Wobble-Hypothese ist besonders die Paarung an der dritten Codonposition weniger streng. Die tRNA für Tryptophan, tRNA^Trp, erkennt normalerweise dagegen nur UGG.
Reife tRNAs bestehen aus einem RNA-Strang mit weniger als 100 Nukleotiden. Ihre Sekundärstruktur ähnelt einem Kleeblatt, ihre Tertiärstruktur einem Haken. Am 3'-Ende des Akzeptorarms bindet die Aminosäure über ein posttranskriptional angefügtes CCA-Triplett. Das Anticodon besteht meist aus den Basen 36, 35 und 34; Base 34 paart mit der dritten Base des Codons.
Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten aus ribosomaler RNA und ribosomalen Proteinen. Bei der Translation besitzen sie die A-Stelle für die tRNA mit der nächsten Aminosäure, die P-Stelle für die tRNA mit der wachsenden Peptidkette und die E-Stelle, über die entladene tRNAs das Ribosom verlassen.
Initiation, Verlängerung und Ende bei Prokaryoten
Die Translation beginnt meist am Startcodon AUG. Bei Bakterien trägt die Initiator-tRNA tRNA_i^fMet Formylmethionin (fMet); bei Archaeen und Eukaryoten trägt die Initiator-tRNA Methionin. In Prokaryoten bilden die kleine 30S-Untereinheit sowie IF1 und IF3 zunächst einen Komplex. IF1 bewirkt die Dissoziation von Nichtinitiator-tRNA, IF3 verhindert eine zu frühe Vereinigung der Untereinheiten. IF2 ist ein G-Protein, bindet GTP und bringt die fMet-tRNA_i^fMet an mRNA und 30S-Untereinheit.
Die anti-Shine-Dalgarno-Sequenz der 16S-rRNA erkennt die Shine-Dalgarno-Sequenz der mRNA, die 9 nt upstream vor dem AUG liegt. Nach GTP-Hydrolyse lösen sich die Initiationsfaktoren; die 50S-Untereinheit bindet und bildet den 70S-Initiator-Komplex. Die Initiator-tRNA befindet sich dabei in der P-Stelle, A- und E-Stelle sind leer.
In der Elongation wiederholen sich drei Schritte: Eine beladene tRNA bindet an die A-Stelle, eine Peptidbindung entsteht, und das Ribosom wird auf den nächsten Schritt vorbereitet. Das Ribosom rückt jeweils um ein Codon weiter. Erreicht UAG, UAA oder UGA die A-Stelle, endet die Translation, weil keine passende tRNA vorhanden ist. RF1 bindet UAG und UAA, RF2 bindet UAA und UGA. Die Faktoren führen mittels der Sequenz Glycin-Glycin-Glutamin ein Wassermolekül in das wasserfreie Peptidyl-Transferase-Zentrum ein; dadurch wird die Esterbindung zwischen letzter Aminosäure und tRNA gespalten. RF3 löst RF1 beziehungsweise RF2. Protein und mRNA lösen sich, das Ribosom zerfällt in Untereinheiten, und IF3 hält diese getrennt.
Besonderheiten und Regulation bei Eukaryoten
Bei Eukaryoten unterscheidet sich vor allem die Initiation. Die Initiator-tRNA_i^Met trägt nicht formyliertes Methionin, und die mRNA besitzt keine Shine-Dalgarno-Sequenz. Die 40S-Untereinheit bindet meist an die 5'-Cap-Struktur. Ein Präinitiationskomplex aus kleiner Untereinheit, Initiator-tRNA, eIF-2 und weiteren Faktoren sucht die mRNA in 3'-Richtung nach einem AUG ab; gewöhnlich wird das erste AUG am 5'-Ende als Startcodon gewählt. Erst mit der Bindung der 60S-Untereinheit beginnt die Translation. Helikasen können komplexe Sekundärstrukturen eukaryotischer mRNA auflösen.
Auch hier markieren Stopcodons normalerweise das Ende. Bei einigen menschlichen Genen erzeugt translational readthrough durch Überlesen eines Stopsignals verlängerte Proteine und neue Isoformen, etwa wenn UGA als Tryptophan übersetzt wird. Davon abzugrenzen ist Recodierung mit spezifischen tRNAs, die den Einbau von Selenocystein oder Pyrrolysin ermöglicht.
Die Menge eines Proteins wird vor allem durch die Transkription reguliert, also dadurch, ob die betreffende mRNA hergestellt wird. Translation ist dennoch ein wichtiger Regulationspunkt: Die Phosphorylierung von eIF2 koppelt über den mTOR-Signalweg die Translation an Zellwachstum, Zellzyklus und verfügbare Nährstoffe. Als weitere Stichworte gelten 5'-positionierte kleine offene Leserahmen, codon optimality und der Startkodonkontext Kozak-Sequenz.
Ribosomale Proteine und Rückkopplung
Ein Ribosom enthält rund 50 spezielle Proteine, die mit derselben Rate synthetisiert werden müssen. Gene für bis zu 11 ribosomale Proteine sind in Operons organisiert. Zusätzliche Kopien eines solchen Operons erhöhen zwar die Menge der transkribierten mRNA, die Proteinsyntheserate bleibt aber nahezu unverändert: Ribosomale Proteine können ihre eigene Translation hemmen.
Ein bereits gebildetes ribosomales Protein bindet nahe einem der ersten Gene an die Operon-mRNA und verhindert dadurch, dass Ribosomen die Translation beginnen. So wird auch die Expression nachfolgender Gene unterdrückt. Wenige nicht für Ribosomen verbrauchte Moleküle von L4 hemmen beispielsweise die Synthese von L4 und der übrigen 10 ribosomalen Proteine desselben Operons. Die Bindungsstellen von L4 an rRNA und an seine mRNA ähneln sich in Sequenz und Sekundärstruktur. Weil die Bindung an rRNA stärker ist, wird die Translation erst unterdrückt, wenn genügend Protein für die Ribosomenproduktion vorhanden ist.
Proteintransport durch Membranen
Die Proteinsynthese findet bei Prokaryoten und Eukaryoten an Ribosomen im Cytosol statt. Von dort können Proteine in oder durch Membranen transportiert werden. Diese Translokation kann cotranslational während der Synthese oder posttranslational nach ihrer vollständigen Synthese erfolgen. Signalsequenzen in der Aminosäuresequenz bestimmen meist Transportart und Zielort; sie werden von Signalerkennungspartikeln oder Proteinkomplexen wie dem Sec-System erkannt.
Bei Prokaryoten können Proteine zur Zellmembran oder in den extraplasmatischen Raum gelangen. Bei Eukaryoten sind unter anderem Endoplasmatisches Retikulum, Zellkern, Peroxisome, andere Vesikel, Mitochondrien, Chloroplasten und andere Plastiden mögliche Zielorte.
Beim cotranslationalen Transport erkennt das Signalerkennungspartikel (SRP) eine Signalsequenz am Anfang der wachsenden Polypeptidkette, verzögert die Synthese und bindet mit dem Ribosom an einen SRP-Rezeptor der ER-Membran. Das Ribosom koppelt an den Sec61-Komplex; das Polypeptid wird durch dessen Tunnel geführt, während die Translation weiterläuft. Zunächst wird eine Schleife durch den Kanal geschoben, danach die fixierte Signalsequenz abgespalten. Beim posttranslationalen Transport schützt ein Chaperon das fertige Protein vor vorzeitiger Faltung. Bei Bakterien erleichtert ein eingebauter „Knick“ das Durchfädeln; ein posttranslationaler Transport durch die ER-Membran wurde in Hefen gezeigt.
