[論文レビュー] Clustered bottlenecks in mRNA translation and protein synthesis

Tom Chou, Greg Lakatos|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2003

RNA and protein synthesis mechanisms被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、mRNA翻訳におけるクラスタ化した遅延コドンがリボソームスループットを抑制する共役的ブottleneckを生じることをTASEPベースのモデルで検討する。バンド対角遷移行列の数値対角化とモンテカルロシミュレーションを用い、近接して配置された遅延コドンはタンパク質合成電流を2–4倍まで低下させることを示し、3–4個を超えるクラスタ化では効果の飽和が見られる。これは翻訳調節のための生物学的コドンクラスタ化の普及を説明する。

ABSTRACT

We construct an algorithm that generates large, band-diagonal transition matrices for a totally asymmetric exclusion process (TASEP) with local hopping rate inhomogeneities. The matrices are diagonalized numerically to find steady-state currents of TASEPs with local variations in hopping rate. The results are then used to investigate clustering of slow codons along mRNA. Ribosome density profiles near neighboring clusters of slow codons interact, enhancing suppression of ribosome throughput when such bottlenecks are closely spaced. Increasing the slow codon cluster size, beyond $\approx 3-4$, does not significantly reduce ribosome current. Our results are verified by extensive Monte-Carlo simulations and provide a biologically-motivated explanation for the experimentally-observed clustering of low-usage codons.

研究の動機と目的

• 希少コドンによって引き起こされるリボソーム伸長速度の局所的変動がタンパク質合成をどのように調節するかを理解すること。
• 低使用頻度のコドンが特にmRNAの5’末端付近にクラスタ化している理由を調査すること。
• 遅延コドンの空間的クラスタ化がリボソーム電流および翻訳効率に与える影響を定量化すること。
• クラスタ化されたブottleneckが単独の欠陥よりも共役的に抑制効果を強めるかどうかを特定すること。
• このようなクラスタリングが遺伝子発現調節およびタンパク質折りたたみに与える生物学的意味を評価すること。

提案手法

• コドン使用度を表すサイト特異的遷移確率を用いて、nonequilibrium全方向的排除過程（TASEP）としてmRNA翻訳をモデル化すること。
• 局所的な遷移速度の不均一性を持つTASEPのための大規模なバンド対角遷移行列を構築すること。
• これらの行列を数値的に対角化し、定常状態のリボソーム電流および密度分布を計算すること。
• 異なる間隔を持つ欠陥配置の確率的平均を用いて、期待される電流を計算すること。
• 欠陥密度および間隔を変化させた状況での広範なモンテカルロシミュレーションによる結果の妥当性を検証すること。
• 生物学的ノイズおよび代謝コストに対する耐性を評価するため、小さなリボソーム分離率を組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅延コドンの空間的配置がmRNA翻訳におけるリボソームスループットにどのように影響するか？
• RQ2 低使用頻度のコドンが真核生物および原核生物のmRNAでなぜクラスタ化する傾向があるのか、そしてそれがどのような機能的利点をもたらすのか？
• RQ3 翻訳における隣接するブottleneckは、単独の欠陥よりも共役的にタンパク質合成を抑制するのか？
• RQ4 リボソーム電流の最大抑制を達成するための最適なクラスタサイズは何か？
• RQ5 リボソーム分離および有限サイズの粒子が、ブottleneckクラスタリング効果の耐性にどのように影響するか？

主な発見

• 近接して配置された遅延コドン周囲のリボソーム密度境界層が共役的に相互作用し、リボソーム電流の抑制が強化される。
• 3–4個の遅延コドンのクラスタ化は電流を2–4倍まで低下させ、このクラスタサイズを超えると追加の抑制効果はほとんど見られない。
• 電流は約3%の欠陥密度（m/N ≈ 0.03）で最も敏感であり、これは実際に観察された頻度と一致する。
• ランダムに配置された欠陥はクラスタ構成よりも高い電流を示し、観察されたクラスタリングが生物学的に非ランダムであり、機能的に有意であることを示唆する。
• 小さなリボソーム分離率は、開始制限型および最大電流状態では電流を低下させるが、終了制限型状態では影響しない。
• リボソームの有限サイズ（約10コドン分を占拠）により、10コドン未満の間隔の欠陥同士の相関は制限されるが、クラスタリングは依然として調節に有効である。