A critical step in the faithful translation of genetic information is specific tRNA recognition by aminoacyl-tRNA synthetases. These enzymes catalyze the covalent attachment of particular amino acids to the terminal adenosine of cognate tRNA substrates. In general, there is one synthetase for each of the twenty amino acids and each enzyme must discriminate against all of the cellular tRNAs that are specific for the nineteen noncognate amino acids. Primary sequence information combined with structural data have resulted in the division of the twenty synthetases into two classes. In recent years, several high-resolution co-crystal structures along with biochemical data have led to an increased understanding of tRNA recognition by synthetases of both classes. The anticodon sequence and the amino acid acceptor stem are the most common locations for critical recognition elements. This review will focus on acceptor stem discrimination by class II synthetases. In particular, the results of in vitro aminoacylation assays and site-directed and atomic group mutagenesis studies will be discussed. These studies have revealed that even subtle atomic determinants can provide signals for specific tRNA aminoacylation.
E. coli methionyl-tRNA synthetase is one of the class I tRNA synthetases. The Tryptophane residue at the position 461 located in the C-terminal domain of the enzyme is a key amino acid for the interaction with the anticodon of $tRNA^{Met}$. W461 was replaced with other amino acids to determine the chemical requirement for the interaction with the anticodon of $tRNA^{Met}$. Saturation mutagenesis at the position 461 generated a total of 12 substitution mutants of methionyl-tRNA synthetase. All the mutants showed the same in vivo stability as the wild-type enzyme, suggesting that the amino acid substitutions did not cause severe conformational change of the protein The mutants containing tyrosine, phenylalanine, histidine and cysteine substitutions showed in vivo activity while all the other mutants did not. The comparison of the in vitro aminoacylation activities of these mutants showed that aromatic ring structure, Van der Waals volume and hydrogen bond potential of the amino acid residue at the position 461 are the major determinants for the interaction with the anticodon of $tRNA^{Met}$.
Aspartyl-tRNA synthetase (AspRS) exists in two different forms with respect to tRNA recognition. The discriminating enzyme (D-AspRS) recognizes only tRNA$^{Asp}$, while the non-discriminating one (ND-AspRS) also recognizes tRNA$^{Asn}$ and therefore forms both Asp-tRNA$^{Asn}$ and Asp-tRNA$^{Asp}$. Plus primary sequence distinguishes two general groups of AspRS. There is a predominantly bacterial-type, larger AspRS (about 580 aa) in addition to a shorter archaeal/eukaryotic type (about 430 aa). In vivo data made clear that discriminating and non-discriminating enzymes exist in both groups. The determinants in the protein sequence responsible for tRNA discrimination are not hewn. The AspRS from Acidithiobacillus ferrooxidans might be suggested ND-AspRS fur missing of AsnRS in genomic sequencing data. Therefore, we analyzed the AspRS from A. ferrooxidans with in vitro aminoacylation assay with E. coli unfractionated tRNA, in vivo missense suppression assay with tipA34 mutant and Northern hybridization with probes which were specific with tRNA$^{Asp}$ or tRNA$^{Asn}$. The AspRS from A. ferrooxidans produced more Asp-tRNA than that from E. coli. Only aspS gene from A. ferrooxidans suppressed trpA34 strain in minimal media without tryptophan. Only AspRS from A. ferrooxidans showed mischarged Asp-tRNA$^{Asn}$ band. Therefore, AspRS from A. ferrooxidans is definitely ND-AspRS.
Park, Young-In;Lee, Byung-Chul;Chang, Hyo-Ihl;Moon, A-Ree
BMB Reports
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제28권6호
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pp.494-498
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1995
Maize mitochondrial tRNAs for isoleucine have been isolated using a putative $tRNA^{Ile}$ gene probe which has been previously isolated and characterized. It contains the 5'-CAT anticodon which would normally recognize the AUG methionine codon. The nucleotide sequence of one of these tRNAs has been partially determined, and contains a modified nucleotide at the first position of the anticodon. This type of posttranscriptional modification event could change the specificity of amino acid acceptance of a tRNA, unlike that deduced from the corresponding gene. An aminoacylation experiment also demonstrated that these purified tRNAs have isoleucine acceptance activity but no methionine-accepting activity.
효모균 타이로실-tRNA 합성효소(Sc YRS)와 엠버 멈춤코돈을 인식하는 대장균 시작tRNA 변이체(fMam $tRNA_{CUA}$)쌍은 대장균에서 단백질 생합성시 원하는 특정 위치에 비천연아미노산을 도입하는데 활용된다. Sc YRS/fMam $tRNA_{CUA}$쌍의 엠버써프레션 활성을 높이기 위해 fMam $tRNA_{CUA}$의 첫번째 안티코돈 염기를 인식하는 Sc YRS의 320번, 321번 아미노산 잔기를 암호화하는 염기서열을 무작위로 돌연변이시킨 라이브러리를 제작하였다. 엠버써프레션에 의한 클로람페니콜 저항성을 이용해 라이브러리를 탐색하여 활성이 향상된 2개의 돌연변이주를 선별하였다. 이들의 클로람페니콜 저항성 성장의 $IC_{50}$값은 야생형 YRS보다 1.7~2.3배 높았으며, in vivo 엠버써프레션 활성을 비교한 결과 3~6.5배의 활성 증가가 나타났다. 높은 활성을 보인 mYRS-3 (P320A/D321A) 단백질의 fMam $tRNA_{CUA}$에 대한 in vitro aminoacylation kinetics 분석은 야생형보다 약 7배 높은 효소활성을 보였으며, 이는 주로 기질인 fMam $tRNA_{CUA}$에 대한 결합 친화도가 증가하여 나타났다. 이런 접근법을 이용하여 다양한 종류의 비천연 아미노산 도입에 활용되는 aminoacyl-tRNA 합성효소의 엠버써프레션 활성을 높임으로써 엠버 멈춤코돈을 이용한 비천연 아미노산 도입 효율성을 높일 수 있을 것이다.
Jo, Yeong-Joon;Lee, Sang-Won;Jo, Myung-Kyun;Lee, Jee-Woo;Kang, Mee-Kyoung;Yoon, Jeong-Hyeok;Kim, Sung-Hoon
BMB Reports
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제32권6호
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pp.547-553
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1999
Aminoacyl-tRNA synthetases are essential enzymes catalyzing the attachment of specific amino acids to cognate tRNAs. In the present work, the substrate analogue L-methionine hydroxamate was used to identify functional residues located in the active site of the E. coli methionyl-tRNA synthetase (MetRS). This compound inhibited bacteria, yeast, and human MetRS activities to a similar degree, suggesting a conserved active site structure and mechanism between MetRSs of different phylogenetic domains. Mutants of the E. coli MetRS resistant to methionine hydroxamate were also isolated. These mutants contained a substitution either at T10, Y15, or Y94. These residues are highly conserved among the different MetRSs and the mutants showed decreased aminoacylation activity, suggesting their functional and structural significances. The putative roles of these residues are discussed on a structural basis.
To identify structural or functional common subunit(s) in the CP1 (editing) domains of class Ia tRNA synthetases, five available structures were compared and analyzed. Through the sequence alignments and structural overlapping of the CP1 domains, three conserved regions were identified near the amino acid binding site in the editing domain. Structural overlapping of the three subunits clearly showed the existence of three common structural subunits in all of the five editing RS structures. Based on the established experimental results and our modeling results, it is proposed that subunits 1 and 3 accommodate the incoming amino acid binding, while subunit 2 contributes to the interactions with the adenosine ring of the A76 to stabilize the overall tRNA binding. Since these subunits are critical for the editing reaction, we expect that these key structures should be conserved through the most class Ia editing RSs.
곰팡이 독소인 ochratoxin A(OA)는 신장독성, 최기형성, 발암성 및 면역독성을 나타내며, 식품, 곡류 및 정육등에 잔류한다고 알려져 있다. 최근 우리나라의 된장, 간장등 발효식품에서도 OA가 검출되었다는 보고가 있어 OA에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 OA의 전반적인 위해성 평가의 일환으로 OA의 독성 표적장기인 신장에 초점을 맞추어 신장독성 감소방법을 제시하고자 한다. 신장독성을 감소시키기 위한 대상 물질로는 1) 기존에 독성감소 물질로 알려진 phenylalanine(Phe), 2) phenylalanime과 asparitc acid로 구성된 감미료인 아스파탐(Asp), 3) 녹차의 성분이며 free radical scavenger 및 ntioxidant 작용이 있는 polyphenol(PP), 4) 최근 수명연장 효과가 있고 특히 신장 질환에 대한 예방 효과가 있다고 알려진 aloe 추출물(AE)을 선택하였다. 신장독성을 유발시키기 위하여 OA를 2.0 mg/kg의 용량으로 2주간 연속 경구 투여하였다. Phe(40 mg/kg, i.p.)과 Asp(25 mg/kg, p.o.)은 OA(2.0 mg/kg, p.o.)와 병용 투여하였으며, PP(200 mg/kg, p.o)는 OA 투여 2주전부터, AE(50 mg/kg, i.v.) 은 3일전부터 전처리하여 OA(2.0 mg/kg, p.o.)와 2주간 병용 투여하였다. 신장독성의 확인은 혈청중 BUN, creatinine 치 및 뇨중 ${\gamma}-glutamyltranspeptidase와\;N-acetyl-{\beta}-D-glucosaminidase$의 활성을 측정하였고, 신장에 대한 조직 병리 검사를 실시하였다. 실험결과, OA를 2주간 2.0 mg/kg용량으로 투여한 결과 신장독성이 유발되었으며, 독성 감소 물질로 사용한 4개의 화합물 모두 혈액 및 뇨중 신장독성 지표를 유의성 있게 감소시켰다. 조직 병리 검사결과 OA에 의하여 신장의 근위 세뇨관에 변성이 유발되었으며, 4개의 혼합물 처리군에서는 변성이 관찰되지 않았다. 이러한 결과로부터 Phe, Asp, PP 및 AE는 모두 OA에 의한 신장독성을 감소시킬 수 있으며, OA에 의한 신장독성 유발에는 Phe에 대한 경쟁작용 및 free radical 생성이 관여되어 있음을 알 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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