تغییرات تکاملی در آنزیم کلیدی ممکن است به باکتری‌ها کمک کند تا پروتئین‌ها را سریع‌تر بسازند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان موسسه علوم توکیو ژاپن گزارش دادند که تغییرات تکاملی در یک آنزیم سنتز پروتئین کلیدی، ایزولوسیل-tRNA سنتتاز (IleRS)، ممکن است به باکتری ها کمک کند تا سرعت ساخت پروتئین ها را به خوبی تنظیم کنند. دانشکده علوم دانشگاه زاگرب، کرواسی؛ و ETH زوریخ، سوئیس.

محققان تاریخچه تکاملی آنزیم را ردیابی کردند و سه کلاس IleRS مجزا را شناسایی کردند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که بازسازی C-terminal، از جمله از دست دادن مکرر یک ناحیه ساختاری به نام "INS" ممکن است به اصلاح فعالیت آنزیم و سرعت واکنش کمک کرده باشد.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.

هر سلول حاوی میلیون ها مولکول پروتئینی است که برای عملکردهای مختلف سلولی لازم است. سنتز پروتئین فرآیندی است که از طریق آن اطلاعات رمزگذاری شده در DNA ما به پروتئین های مورد نیاز برای حفظ حیات تبدیل می شود.

در طی این فرآیند، RNA های انتقالی (tRNA ها) به عنوان حامل های مولکولی عمل می کنند و اسیدهای آمینه خاصی را به ریبوزوم می آورند، جایی که طبق اطلاعات ژنتیکی کدگذاری شده در RNA پیام رسان (mRNA)، که از DNA مشتق شده است، به پروتئین ها مونتاژ می شوند.

قبل از اینکه یک tRNA بتواند این نقش را ایفا کند، باید با اسید آمینه صحیح "شارژ" شود. این مرحله حیاتی توسط خانواده ای از آنزیم ها به نام aminoacyl-tRNA synthetases (AARSs) انجام می شود که tRNA های خاص را تشخیص می دهند و سپس اسید آمینه مربوطه را به tRNA (آمینواسیلاسیون) متصل می کنند. دقت این فرآیند ضروری است زیرا اتصال اسید آمینه اشتباه می تواند منجر به خطا در پروتئین سنتز شده شود.

یکی از اعضای این خانواده ایزولوسیل-tRNA سنتتاز (IleRS) است که اسید آمینه ایزولوسین را با tRNA مربوطه خود جفت می کند. IleRS به طور سنتی به دو شکل IleRS1 و IleRS2 بر اساس تفاوت در مناطق C ترمینال آنها طبقه بندی می شود. با این حال، تاریخچه تکاملی و اهمیت عملکردی این تفاوت ها نامشخص باقی مانده است.

اکنون، مطالعه ای به رهبری پروفسور لیام ام. لونگو از موسسه علوم زمین-حیات، موسسه علوم توکیو، ژاپن؛ Ita Gruic-Sovulj از گروه شیمی، دانشکده علوم دانشگاه زاگرب، کرواسی. و Nenad Ban از ETH Zürich، سوئیس، تصویر پیچیده تری از چگونگی تکامل این آنزیم ضروری را نشان می دهد.

این مطالعه ترکیبی از بیوانفورماتیک، کریستالوگرافی اشعه ایکس و خصوصیات جنبشی گسترده، بازسازی تاریخچه تکاملی IleRS و بررسی چگونگی تاثیر تغییرات تکاملی در آنزیم بر تشخیص tRNA، عملکرد آنزیم و نرخ آمینواسیلاسیون است.

لونگو می‌گوید: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که باکتری‌ها به طور مکرر بخش‌هایی از این آنزیم را ساده‌سازی کرده‌اند، که به طور بالقوه سرعت آمینواسیلاسیون را افزایش داده و به سنتز سریع‌تر پروتئین کمک می‌کند.

برای کشف جزئیات تکاملی، محققان توالی IleRS را از باکتری‌ها، باستان‌ها و یوکاریوت‌ها تجزیه و تحلیل کردند و درختان فیلوژنتیکی را برای چندین حوزه آنزیم ساختند. تجزیه و تحلیل آنها سه گروه تکاملی را نشان داد: IleRS1، IleRS2 و گروهی از آنزیم‌های باستانی شاخه‌دار عمیق که قبلا شناسایی نشده بود، که آنها IleRS-A نامیدند.

محققان دریافتند که IleRS-A دارای یک سازمان ترمینال C شبیه IleRS2 است، در حالی که دامنه مصنوعی آن (که به عنوان HUP نامیده می شود) بیشتر با IleRS1 مرتبط است. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل آنها نشان می دهد که IleRS1 می تواند از یک اجداد شبیه IleRS-A، همراه با بازسازی ناحیه C ترمینال آن پدید آمده باشد.

برای حمایت بیشتر از این مدل تکاملی، محققان همچنین شواهدی پیدا کردند که نشان می‌دهد بازسازی ترمینال C در طول تکامل IleRS ادامه داشته است. به طور خاص، یک منطقه تقریبا 80 اسید آمینه به نام زیر دامنه INS به طور مستقل در دودمان های متعدد پروکاریوتی گم شده است. زیر دامنه INS با حلقه D (بخشی از tRNA) در IleRS2 تعامل دارد.

برای بررسی اهمیت عملکردی آن، تیم ساختار بلوری IleRS2 را از Priestia megaterium متصل به tRNA از Escherichia coli تعیین کرد. آنها مدل ساختاری را با استفاده از جهش های هدفمند و آزمایش های جنبشی تجزیه و تحلیل کردند. این اولین ساختار کریستالی گزارش شده از یک IleRS بود که شامل زیر دامنه INS از نظر تکاملی ناپایدار است.

آزمایش‌ها نشان داد که در حالی که زیر دامنه INS به اتصال tRNA کمک می‌کند، برای انتقال آمینواسیل مولد تحت شرایط مورد سنجش ضروری نیست.

جهش هایی که برهمکنش بین INS و tRNA D-loop را تضعیف کردند، گردش کاتالیزوری آنزیم را حدود چهار برابر افزایش دادند. حذف کل زیر دامنه INS میل ظاهری آنزیم را برای tRNA کاهش داد، Kₘ برای tRNA را تقریبا 15 برابر افزایش داد، اما فعالیت آمینواسیلاسیون را لغو نکرد - نشان می‌دهد که چگونه از دست دادن دامنه INS می‌تواند آسان باشد.

محققان همچنین این جهش یافته ها را در E. coli آزمایش کردند. هنگامی که IleRS خود باکتری مسدود شد، آنزیم های اصلاح شده حامل جهش در زیر دامنه INS همچنان قادر به حمایت از رشد باکتری بودند.

اگرچه حذف کامل INS تکمیل را دشوارتر کرد، آنزیم INS جهش یافته زمانی که در سطوح بالاتر همراه با tRNA اضافی برای ایزولوسین بیان شد، عملکردی باقی ماند. در مقابل، جهش‌هایی که سایت تشخیص آنتی‌کدون tRNA را مختل کردند، از حمایت آنزیم از رشد باکتری‌ها جلوگیری کردند و نقش حیاتی تشخیص آنتی‌کدون را در انتقال آمینواسیل برجسته کردند.

Gruic-Sovulj می‌گوید: «ما مشاهده کردیم که تغییرات تکاملی در ناحیه C ترمینال می‌تواند نحوه تعامل IleRS با tRNA را تغییر دهد بدون اینکه لزوما عملکرد کاتالیزوری ضروری آن را مختل کند.

این یافته ها ناحیه C ترمینال IleRS را به عنوان یک مکان مهم بازسازی تکاملی نشان می دهد که از طریق آن می توان برهمکنش آنزیم با tRNA و فعالیت کاتالیزوری را تنظیم کرد.

نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که بازسازی C ترمینال، از جمله جایگزینی یک دامنه در طول ظهور IleRS1 و از دست دادن مکرر INS در پروکاریوت‌ها، ممکن است به آمینواسیلاسیون سریع‌تر کمک کرده باشد. به طور کلی، این مطالعه نشان می دهد که چگونه یک جزء ضروری از ماشین ترجمه می تواند عملکرد خود را در حالی که تحت تغییرات ساختاری قرار می گیرد که ممکن است بر سرعت چرخه کاتالیزوری آن تأثیر بگذارد، حفظ کند.

Petra Modrusan و همکاران، بازسازی C-terminal تکاملی سنتتازهای isoleucyl-tRNA یک استراتژی خاص پروکاریوت برای تنظیم نرخ آمینواسیلاسیون، Nature Communications (2026) است. DOI: 10.1038/s41467-026-78241-1

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →