БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 9, с. 1328 - 1344

УДК 577.21

РАЗЛИЧИЯ И СХОДСТВО ПРОЦЕССОВ ТЕРМИНАЦИИ

ТРАНСЛЯЦИИ И СПАСЕНИЯ РИБОСОМЫ В БАКТЕРИАЛЬНЫХ

КЛЕТКАХ И В МИТОХОНДРИЯХ И ЦИТОПЛАЗМЕ

ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

Обзор

А.A. Коростелев

RNA Therapeutics Institute, Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology, UMass Medical School,

Worcester, MA, USA; e mail: Andrei.Korostelev@umassmed.edu

Поступила в редакцию 24.05.2021

После доработки 24.05.2021

Принята к публикации 17.06.2021

Когда рибосома встречает стоп кодон на молекуле мРНК, она прекращает процесс трансляции, высвобож

дает вновь синтезированный белок и разбирается на субъединицы, чтобы инициировать процесс трансля

ции на новой мРНК. Терминация трансляции является высоко динамичным процессом, в котором рили

зинг факторы (RF1 и RF2 у бактерий и eRF1•eRF3•ГТФ у эукариот) координируют высвобождение пеп

тида с крупномасштабными молекулярными перестройками рибосомы. Рибосомы, остановившиеся на

аберрантных мРНК, освобождаются и рециклизуются различными бактериальными, митохондриальными

или цитоплазматическими механизмами контроля качества. Эти механизмы работают при участии факто

ров спасения, обладающих пептидил тРНК гидролазной активностью (бактериальные факторы ArfA•RF2

и ArfB, митохондриальные факторы ICT1 и mtRF R и цитоплазматический фактор Vms1), которые отлича

ются друг от друга и от рилизинг факторов. Тем не менее в результате проведённых недавно структурных ис

следований было показано замечательное сходство между механизмами терминации трансляции и спасе

ния рибосомы. В этом обзоре описывается, как в этих механизмах используется внутренняя динамика ри

босомы, подчёркивая активную роль рибосомы на всех этапах процесса трансляции.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: трансляция, терминация, рибосома, спасение.

DOI: 10.31857/S0320972521090062

ВВЕДЕНИЕ

заменимые факторы aRF3/eRF3 у архей/эука

риот. Показано, что они выполняют различные

Трансляция мРНК в белок начинается со

функции в этих доменах жизни. Понимание

стартового кодона (обычно кодона AUG) и за

подробных структурных механизмов термина

канчивается одним из трёх стоп кодонов: UAA,

ции трансляции имеет большое значение в свя

UAG или UGA [1, 2]. Для своевременного био

зи с фундаментальной ролью процесса термина

синтеза белков, рециклизации рибосомы и ини

ции в биосинтезе белка, проиллюстрированной

циации трансляции необходим точный и эф

катастрофическими последствиями мутаций

фективный процесс терминации [3, 4]. В отли

или других изменений структуры мРНК, кото

чие от смысловых кодонов, которые распозна

рые приводят к аберрантному высвобождению.

ются различными аминоацил тРНК, стоп ко

Например, большая часть генетических наруше

доны распознаются рилизинг факторами: RF1

ний вызвана преждевременными стоп кодона

или RF2 у бактерий и aRF1/eRF1 у архей/эука

ми, приводящими к образованию укороченных

риот [5-9]. Кроме того, в процессе терминации

белков и деградации мРНК [10].

принимают участие рилизинг факторы с

Кроме рилизинг факторов, в бактериальных

ГТФазной активностью, такие как несущест

и эукариотических митохондриальных и цито

венный фактор RF3 у некоторых бактерий и не

плазматических системах трансляции недавно

были идентифицированы различные RF подоб

ные белки, которые могут смягчать трансляци

Принятые сокращения: крио ЭМ - криогенная

онный стресс. В их число входят механизмы

электронная микроскопия; DC - центр декодирования;

H69 - 23S спираль 69; PTC - пептидил трансферазный

спасения рибосом и контроля качества, которые

центр; RF - рилизинг фактор.

способствуют рециклизации рибосом, остано

1328

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1329

вившихся на аберрантных молекулах мРНК.

ТЕРМИНАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ

Последние включают укороченные мРНК и

У БАКТЕРИЙ И МИТОХОНДРИЙ

мРНК с неоптимальными (редкими) кодонами

или структурными особенностями (например,

Рилизинг факторы являются бифункцио

вторичной структурой мРНК или сайтами свя

нальными белками: они распознают стоп кодон

зывания с белками), которые предотвращают

и катализируют гидролиз сложноэфирной связи

процесс элонгации рибосом. Распознавание,

в пептидил тРНК. Бактериальные рилизинг

высвобождение пептида и рециклинг останов

факторы RF1/RF2 независимо распознают ко

ленных рибосом достигается независимыми пу

доны UAA, UAG/UAA и UGA соответственно.

тями, включая участие ArfA и ArfB у бактерий,

Эти белки длиной ~350-380 а.о. включают су

mtRF1a и mtRF R в митохондриях и Dom34 и

пердомен распознавания кодонов (домены 2

Vms1 в цитоплазме эукариот. Недавние биофи

и 4), который связывается с малой 30S субъеди

зические и структурные исследования продемон

ницей рибосомы, и каталитический домен 3, ко

стрировали ключевую роль динамики рибосомы

торый связывается с большой 50S субъедини

в процессах трансляции, терминации и спасе

цей рибосомы (рис. 1, a-c). Подвижный домен 1

ния самой рибосомы. Механика перестройки

взаимодействует с периферическим L11 высту

рибосом перекликается с моделями, предло

пом на 50S субъединице (рис. 1, b-c), способ

женными Александром Спириным для трансло

ствуя связыванию RF с рибосомой [13, 14]. Су

кации рибосом вдоль мРНК, включая крупно

пердомен распознавания кодонов содержит

масштабные перестройки субъединиц рибосо

консервативный мотив P¹⁸⁴XT¹⁸⁶ (где X часто

мы [11, 12]. Эти данные подчёркивают, что ри

представлен A, V или другой короткой амино

босома играет основную механическую роль на

кислотой) в RF1 или мотив S²⁰⁶PF²⁰⁸ в RF2 [15,

всех этапах трансляции, включая терминацию и

16], которые взаимодействуют со стоп кодона

спасение рибосом.

ми (для бактериальных белков и РНК приводит

Рис. 1. Терминация трансляции у бактерий происходит вследствие крупномасштабных конформационных изменений.

a-d - Крио ЭМ структуры, демонстрирующие перестройки рилизинг факторов и межсубъединичное вращение бакте

риальной 70S рибосомы после распознавания стоп кодона и высвобождения пептида. Показан белок RF2 E. coli: пане

ли (b и c) [51] и d [61]. Центр декодирования (DC) и пептидил трансферазный центр (PTC) отмечены на панели (a). Крис

таллическая структура свободного RF2 показана между панелями (a) и (b) [40]. Доменная организация RF1/RF2 показа

на арабскими цифрами на панели (c). e - Крио ЭМ структура RF1 и RF3 на рибосоме E. coli с P/E тРНК и повёрнутой

30S субъединицей [58]. f - Крио ЭМ структура рибосомы E. coli до рециклинга с P/E тРНК и повёрнутой 30S субъеди

ницей после диссоциации факторов высвобождения [61]. g и h - Перемещение кодона и DC после связывания

RF2 (Структура II в [61]). Стоп кодон и DC на панели g были смоделированы на основе Структуры I в [54]. i - Переме

щение RF2 в PTC [61]. Каталитическая конформация RF2 с GGQ несущей α спиралью показана розовым цветом, и ри

босома окрашена в серый цвет. Конформация β шпильки RF2 (красный) совпадает с перемещением A2602 и отходом

тРНК (оранжевый) из PTC (сине зеленый)

6 БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1330

КОРОСТЕЛЕВ

ся цифровое обозначение остатков, характерное

на (рис. 1, a и b). Однако в ранних структурных

для Escherichia coli, если не указано иное)

исследованиях было показано, что в рибосоме

[17-20]. В биохимических исследованиях и с

RF находятся в раздвинутой («открытой») кон

помощью мутационного анализа были установ

формации (рис. 1, c), в которой RF1 или RF2 в

лены другие аминокислотные остатки домена 2,

A сайте рибосомы соединяют 30S и 50S субъ

имеющие важное значение для обеспечения

единицы [17-20 43, 44]. На основании этих ре

специфичности связывания рилизинг факторов

зультатов была предложена привлекательная ги

со стоп кодонами [21, 22].

потеза о том, что рилизинг факторы выбирают

Каталитический домен 3 содержит длинную

А сайт рибосомы, находясь в компактной кон

α спираль, заканчивающуюся универсально

формации, при которой мотив GGQ располага

консервативным мотивом GGQ (рис. 1, c и 2, c),

ется далеко от PTC. Было высказано предполо

который, как было показано в ранних исследо

жение, что «открытие» рилизинг фактора про

ваниях, играет ключевую роль в катализе [23,

исходит после распознавания стоп кодона [17,

24]. Замены глицина в бактериальных и эукарио

43, 45-47]. Структурные доказательства такого

тических рилизинг факторах вызывали их

перехода были получены лишь недавно. Крис

инактивацию [24-26]. Напротив, замены остат

таллографические исследования со сверхточ

ков глутамина RF не влияли на каталитическую

ным мутантом RF1 и антибиотиком бластици

активность [25, 27, 28], за исключением мутант

дином S (BlaS) зафиксировали кодон распозна

ных форм с мотивом GGP, которые были неак

ющий супердомен в А сайте, в то время как ка

тивными [18, 29]. Эти исследования показыва

талитический домен был в неупорядоченном

ют, что уникальная конформация GGQ очень

состоянии в межсубъединичном пространстве в

важна для проявления каталитической актив

связи с динамическими перестройками рили

ности рилизинг факторов.

зинг факторов на рибосоме [48]. Последующие

Кристаллографические исследования высо

крио ЭМ исследования визуализировали ком

кого разрешения позволили получить подроб

пактный RF2 на рибосоме, связанный с альтер

ную картину процесса распознавания стоп ко

нативным рилизинг фактором A (ArfA; [49]), и

донов и каталитического механизма действия

мутантом ArfA [50], что подчёркивает сродство

рилизинг факторов на все три стоп кодо

компактизованных рилизинг факторов к рибо

на [17-20] (см. обзоры [30-34]). Последние дос

соме (рис. 2, a). ArfA помогает RF2 распознавать

тижения в области криогенной электронной

рибосомы без стоп кодонов (обсуждается ни

микроскопии (крио ЭМ) позволяют определять

же), поэтому структурная динамика RF на тер

ранее недостижимые переходные состояния

минирующей рибосоме оставалась неясной до

макромолекул с разрешением, близким к атом

недавнего исследования крио ЭМ в реальном

ному. Вместе с результатами биохимических и

времени [51]. В этом исследовании удалось по

биофизических исследований [35-38], недав

лучить как RF1, так и RF2 в компактной неак

ние структурные исследования позволяют поч

тивной конформации в ранние моменты реак

ти полностью реконструировать динамический

ции терминации (рис. 1, b). Они перестроились

механизм терминации - от начального распоз

в каталитически активную открытую конформа

навания стоп кодона до гидролиза пептидил

цию в более поздние моменты времени (рис. 1, c;

тРНК и диссоциации RF.

[51]). Открытие RF сопряжено с локальной пе

Динамичные рилизинг-факторы имеют важное

рестройкой DC рибосомы (т.е., А сайта 30S

значение для правильной терминации трансляции.

субъединицы) и PTC на 50S субъединице, что

В клетке RF могут стохастически связываться с

совместно обеспечивает высокую точность тер

А сайтом рибосомы, содержащим смысловой

минации трансляции.

или стоп кодон. Для точности терминации гид

Локальные перестройки в центре декодирова-

ролазная функция должна быть строго коорди

ния и пептидил-трансферазном центре. DC обра

нирована с распознаванием стоп кодона. Эта

зован универсально консервативными остатка

координация достигается путем предотвраще

ми малой рибосомной РНК (G530, A1493 и

ния вставки каталитического домена 3 в пепти

A1493 16S рРНК E. coli), которые определяют

дил трансферазный центр (PTC), если только

точность декодирования мРНК. Во время элон

супердомен распознавания кодонов не разме

гации эти нуклеотиды стабилизируют спарива

щён в A сайте, содержащем стоп кодон. Крис

ние оснований Уотсона-Крика между кодоном

таллические структуры и исследования в раст

мРНК и антикодоном тРНК и обеспечивают

ворах показали, что свободные рилизинг фак

точность элонгации [52-54]. Эти нуклеотиды

торы принимают компактную конформа

также необходимы во время терминации, по

цию [39-42], при которой каталитический до

скольку они способствуют открытию рилизинг

мен упакован в домен распознавания кодо

фактора для катализа высвобождения пепти

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1331

Рис. 2. Механизмы спасения и высвобождения рибосом с участием бактериальных факторов ArfA и ArfB и митохондри

альных факторов mtRF1a, ICT1 и mtRF R. a и b - Крио ЭМ структуры рибосом E. coli с укороченной мРНК, ArfA и ком

пактным (a) или развёрнутым (b) RF2 [49]. c - Крупный план взаимодействий между ArfA, RF2, мРНК и тРНК в Р сайте

рибосомы. d-g - Крио ЭМ структуры рибосом E. coli с укороченной мРНК (с выступом длиной 0 или 9 нуклеотидов пос

ле кодона P сайта) и ArfB [110, 111]. h - Крио ЭМ структура терминирующего комплекса 55S митохондрий свиньи с

mtRF1a, связанным со стоп кодоном [87], очень напоминает бактериальные терминальные комплексы с RF1. i - Крио

ЭМ структура митохондриального комплекса спасения 55S с ICT1 [87] очень напоминает бактериальный комплекс 70S

с ArfB [сравните с панелью (e)]. j - Крио ЭМ структура большой митохондриальной субъединицы, связанной с фактором

спасения человека mtRF R и вспомогательным фактором MTRES1 [98]

да (рис. 1, g и h; [17]). В частности, «терминиру

ключения (с Trp319 в RF2) против A1492 и A1493

ющая» конформация DC может вмещать гибкий

направляет домен 3 в PTC, приводя к активации

линкерный участок между кодон распознаю

развёрнутого RF (рис. 1, h). В соответствии с ос

щим и каталитическим доменами RF (рис. 1, h),

новной ролью переключающей петли, её мута

который называется петлёй переключения

ции нарушают динамику открытия RF и изме

(а.о. ∼290-305 в RF1 и а.о. ∼310-325 в RF2) и об

няют точность процесса терминации [19, 48].

ладает гибкостью в компактизованном рили

В пептидил трансферазном центре мо

зинг факторе [51]. Распознавание стоп кодо

тив GGQ располагается таким образом, чтобы

на RF приводит к стекингу третьего нуклеотида

катализировать гидролиз сложноэфирной свя

стоп кодона на G530 и перемещению A1492

зи, связывающей образующийся пептид с тРНК

и A1493 в специфичную для терминации кон

в Р сайте [17]. Кристаллические структуры, вы

формацию (рис. 1, g и h). Упаковка петли пере

полненные при высоком разрешении, показали,

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1332

КОРОСТЕЛЕВ

что A2602, необходимый для эффективности

в пост реакционных состояниях [17-20]. Одна

терминации [55-57], содействует докингу моти

ко недавние биофизические наблюдения пока

ва GGQ в PTC за счёт стекинга на консерватив

зали, что взаимодействие рилизинг факторов с

ном остатке Arg256 (RF1). Мотив GGQ образует

рибосомой ассоциировано с крупномасштаб

короткую α спираль (рис. 1, i), в которой амид

ной динамикой рибосомы [35]. Последующие

основной цепи глутамина расположен рядом с

крио ЭМ исследования визуализировали RF1

рибозой концевого нуклеотида P тРНК A76.

[58] и RF2 [61], связанные с рибосомой в раз

NH группа расположена таким образом, чтобы

личных вращательных состояниях, отличных от

стабилизировать промежуточное переходное

ранее определенных кристаллических структур.

состояние и уходящую группу [17], в соответ

Были получены изображения того, как пере

ствии с основной каталитической ролью глута

стройки рибосом облегчают диссоциацию RF

минового остова [29].

из рибосомы.

После гидролиза пептидил тРНК и пептид,

После гидролиза пептидил тРНК рибосома

и рилизинг фактор должны диссоциировать из

содержит деацилированную тРНК в Р сайте и

рибосомы, чтобы позволить ей разделиться на

рилизинг фактор в А сайте (рис. 1, c). Благода

субъединицы и начать новый раунд трансляции.

ря пониженному сродству деацил тРНК к Р

Два крио ЭМ исследования сообщили о не

сайту на 50S субъединице (в сравнении со срод

скольких структурах, которые предполагают

ством пептидил тРНК) и повышенному срод

конформационные перестройки, приводящие к

ства к Е сайту на 50S субъединице, тРНК может

диссоциации RF1 и RF2. Был визуализирован

принимать гибридное состояние P/E, в котором

комплекс рибосомы со связанным RF1 с ис

акцепторное плечо переносится на большую

пользованием Api137 [58], который связывается

субъединицу. Исследования FRET и крио ЭМ

с рибосомным туннелем и задерживает RF1 на

показали, что деацил тРНК может спонтанно

рибосоме [59]. Этот комплекс образовывался в

колебаться на развёрнутой рибосоме между

присутствии ГТФазы RF3, которая стимулирует

классическим P/P и гибридным P/E состояни

диссоциацию RF1 [35, 60]. В другом исследова

ями, совпадая с не повёрнутой и повёрнутой

нии были получены структуры комплекса со

конформациями рибосомы соответственно [37,

связанным RF2 и без RF3, что соответствует не

69-74]. Подобные колебания могут происхо

зависимой от RF3 диссоциацией RF2 [35].

дить в присутствии RF [58, 61]. Постепенное

Структуры визуализировали ретракцию деаци

вращение малой субъединицы связано с движе

лированного 3′ конца тРНК CCA из PTC, свя

нием каталитического домена рилизинг факто

занную с поворотом A2602 из его GGQ коорди

ра из PTC, в то время как домен распознавания

нирующего положения (рис. 1, i). GGQ несу

кодонов остаётся прикреплённым к DC [61].

щий мотив RF2 был перемещён в длинную β

При повороте малой субъединицы примерно

шпильку, которая простиралась в рибосомный

на 7° наблюдается равновесие структур со свя

туннель, как если бы закупоривала PTC

занным RF2 и без него, это позволяет предполо

(рис. 1, i). Это говорит о том, что верхушка ката

жить, что RF2 диссоциирует в основном из по

литического домена может перестраиваться та

вёрнутой конформации рибосомы (рис. 1, d и f).

ким образом, чтобы смещать диффузию вновь

Точно так же RF1 диссоциирует в присутствии

формируемого белка в направлении выхода из

ГТФазы RF3 (рис. 1, e), которая стабилизирует

туннеля, облегчая высвобождение белка из ри

конформацию повёрнутой рибосомы

[58,

босомы.

75-78]. Примечательно, что RF3 не консервати

Межсубъединичное вращение после высво-

вен у бактерий [79], и он незаменим для роста

бождения пептида сопряжено с диссоциацией RF.

E. coli [80, 81]. Это означает, что RF1 может осу

Во время трансляции рибосома подвергается

ществлять терминацию и диссоциировать

ряду межсубъединичных перестроек. На стадии

без RF3, и что диссоциация как RF1, так и RF2

элонгации тРНК и мРНК перемещаются внут

управляется перестройками рибосом. Дестаби

ри рибосомы, поскольку малая субъединица

лизация RF на малой субъединице сопряжена с

спонтанно поворачивается на ∼10° и связывает

разборкой центрального межсубъединичного

ГТФазную транслоказу EF G в бактериях или

мостика, образованного 23S спиралью 69 (H69)

eEF2 у эукариот [33, 62-66]. Напротив, крупно

и декодирующим центром (рис. 1, h). В повёрну

масштабные перестройки рибосомы не счита

той рибосоме без RF2 H69 отделяется от DC и

лись частью механизма терминации. Действи

прикрепляется к

50S субъединице вблизи

тельно, исследования FRET и рентгеновская

A2602, указывая тем самым, что реструктуриза

кристаллография показали, что RF связывают и

ция рибосомы совпадает с локальными перест

стабилизируют не повёрнутую рибосому

ройками PTC после высвобождения пепти

[35-37, 67] как в пред реакционных [68], так и

да [61]. В этом положении H69 будет конфлик

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1333

товать с RF2 в соответствии с состоянием после

mtRF1a [94]. Поскольку mtRF1 несёт консерва

диссоциации RF2. В случае отделения H69 от

тивный каталитический домен с мотивом GGQ,

малой субъединицы рибосома становится суб

mtRF1 может участвовать в механизме контроля

стратом, с которым связывается фактор рецик

качества, который распознает специфическую

линга рибосомы RRF [82, 83], расщепляющий

конформацию А сайта рибосомы [92] и/или

рибосому на субъединицы с помощью EF G.

требует дополнительных факторов, которые ещё

Митохондрии кодируют два RF-подобных

предстоит определить.

белка, mtRF1a и mtRF1, но только для mtRF1a

было показано, что он катализирует процесс

терминации трансляции [84]. Как и бактериаль

СПАСЕНИЕ ОСТАНОВИВШИХСЯ

ный RF1, mtRF1a человека (HMRF1L) содер

РИБОСОМ С ПОМОЩЬЮ МЕХАНИЗМОВ

жит мотив P²⁰⁶KT²⁰⁸ и катализирует высвобожде

ТЕРМИНАЦИИ У БАКТЕРИЙ

ние пептида на стоп кодонах UAA и UAG [85,

И МИТОХОНДРИЙ

86] (для эукариотических белков используются

номера аминокислотных остатков в белках че

Рибосомы останавливаются на молекулах

ловека, если не указано иное). Недавняя крио

мРНК, которые либо укорочены, не содержат

ЭМ работа визуализировала комплекс термина

стоп кодон, либо же останавливают рибосомы с

ции митохондрий свиньи с mtRF1a (рис. 2, h;

помощью других механизмов [95]. Недавние ис

[87]). Взаимодействия домена распознавания

следования выявили системы спасения рибосо

кодонов, петли переключения и домена 3 с ри

мы, которые высвобождают пептиды из остано

босомой демонстрируют, что структурные меха

вившихся рибосом. У бактерий альтернативные

низмы распознавания кодонов и терминации с

факторы спасения A (ArfA) и B (ArfB) представ

помощью mtRF1a сходны с механизмами

ляют собой независимые молекулярные меха

действия RF1. Хотя диссоциацию mtRF1a ещё

низмы, которые дополняют транс трансляци

предстоит визуализировать, сохранение меж

онную систему спасения [95-97]. Недавно в

субъединичных перестроек в миторибосо

структурных исследованиях были визуализиро

мах [88, 89] указывает на то, что диссоциа

ваны структурные механизмы этих факторов

ция mtRF1a при отсутствии митохондриального

спасения. В митохондриях две системы спасе

ортолога RF3 может быть сходна с диссоциаци

ния рибосомы включают RF подобные белки,

ей RF2.

которые недавно были визуализированы с по

Напротив, остаётся неясной функция

мощью крио EM: ICT1, который напоминает

mtRF1 [84]. Этот биоинформатически иденти

бактериальный ArfB и действует на миторибосо

фицированный гомолог RF1, состоящий из

мы, несущие укороченные молекулы мРНК

∼445 а.о. [90], имеет N концевое удлинение до

[87], и mtRF R (кодируемый c12orf65), который

мена 1 (∼70 а.о.), которое может влиять на свя

кооперирует с MTRES1 (кодируемый c6orf203) в

зывание с рибосомой. Более того, супердомен

распознавании большой митохондриальной

распознавания кодонов существенно отличает

субъединицы с остановившейся пептидил

ся от такового в RF1 и содержит мо

тРНК [98].

тив P²⁶⁴EVGLS²⁶⁹ и другие расширения, кото

Бактериальный альтернативный фактор спасе-

рые, вероятно, несовместимы с кодонами

ния A (ArfA). ArfA (ранее называвшийся YhdL) -

мРНК в А сайте [91, 92]. Было высказано пред

это небольшой белок, состоящий из 70 а.о., ко

положение, что mtRF1 распознает кодоны арги

торый рекрутирует RF2 для высвобождения из

нина (AGA и AGG), которые, как полагали, бы

рибосом пептидов, остановившихся на укоро

ли переназначены как кодоны терминации в

ченных мРНК, не содержащих стоп кодон

митохондриях [93]. Однако не удалось обнару

(рис. 2, a-c; [99-101]). Пять крио ЭМ исследо

жить связывающую или каталитическую актив

ваний продемонстрировали, что положительно

ность mtRF1 на рибосомах с мРНК, содержа

заряженный C концевой хвост ArfA связывается

щих стоп кодоны или кодоны аргинина. В ре

с мРНК туннелем, образованным преимущест

зультате этот белок не может компенсировать

венно рибосомной 16S РНК, таким образом

делецию гомолога функционального RF у дрож

«чувствуя» рибосомы, туннель которых свобо

жей [85-87]. В последующей работе было пока

ден из за укороченной молекулы мРНК [49, 50,

зано, что терминация на кодонах аргинина в

102-104]. N Концевая часть белка сворачивает

митохондриях человека происходит вследствие

ся с образованием компактного домена вблизи

отсутствия тРНК, способных декодировать эти

декодирующего центра и взаимодействует с до

кодоны, приводящие к сдвигу рамки -1, кото

меном распознавания кодонов RF2, хотя для

рый позиционирует кодон UAG в А сайте для

этого взаимодействия не требуется консерва

канонической терминации с помошью

тивный мотив SPF белка RF2 (рис. 2, c). Во всех

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1334

КОРОСТЕЛЕВ

этих исследованиях ArfA был связан с RF2 в от

рибосомы и позволяют предположить, что дру

крытой, каталитически компетентной конфор

гие пути спасения, такие как ArfA у бактерий и

мации, сходной с конформацией рилизинг

Dom34 у эукариот (обсуждается ниже), могут

факторов на стоп кодоне (рис. 2, b). В этой кон

обнаруживать рибосомы с более широким диа

формации петля переключения RF2 стабилизи

пазоном выступов и/или последовательнос

руется гидрофобными взаимодействиями остат

тей мРНК.

ка Trp319 с ArfA. Кроме того, в двух исследова

В комплексах с мРНК, выступающей за пре

ниях был обнаружен компактный RF2

делы кодона Р сайта, α спиральный хвост ArfB

(рис. 2, a), домен распознавания кодонов кото

связывается в туннеле с мРНК, в то время как

рого находится примерно на 5 Å дальше от А

+9 выступ мРНК удалён из туннеля и либо не

сайта [49, 50]. Хотя взаимодействия RF2 с ArfA

упорядочен в межсубъединичном простран

отличаются от взаимодействий RF2 со стоп ко

стве [110], либо стабилизируется второй копией

доном, полученные структуры подчёркивают

белка ArfB (рис. 2, e и f) [111]. Эти наблюдения

сходство механизма активации RF через откры

указывают на то, что ArfB может обнаруживать

тие RF2 после распознавания специфического

остановившиеся рибосомы разными путями в

сигнала в DC. Список ArfA подобных факторов

зависимости от последовательности мРНК или

спасения продолжает расти, выявляя родовые

структурной динамики, допускающей экскурсы

особенности механизмов контроля качест

мРНК за пределы туннеля. Кроме того, класси

ва [105]. Например, если BrfA Bacillus subtilis за

фикация данных крио ЭМ выявила набор

висит от RF2 и подобен ArfA [106], то ArfT

структур с каталитическим N концевым доме

Francisella tularensis может рекрутировать как

ном ArfB внутри или вне PTC (рис. 2, d и e) [111].

RF1, так и RF2 для высвобождения пептидов из

Эта динамика согласуется с биохимическими

остановленных рибосом [107, 108].

наблюдениями и указывает на то, что механизм

Бактериальный альтернативный фактор спасе-

распознавания субстрата напоминает механизм

ния B (ArfB). ArfB (ранее называвшийся YaeJ) -

канонических рилизинг факторов, которые

это рилизинг фактор (~140 а.о.), который со

сначала распознают DC на малой субъединице,

держит как С концевой хвост, связывающийся с

а затем перегруппировываются, чтобы закре

рибосомным туннелем, так и RF подобный ка

пить каталитический домен рядом с расщепляе

талитический домен, несущий мотив GGQ

мой связью в пептидил тРНК.

(рис. 2, d-g). Биохимические исследования по

С помощью крио ЭМ на рибосомах были

казали, что ArfB может спасать не только рибо

идентифицированы ArfB с различной степенью

сомы с мРНК, укороченной сразу после кодона

межсубъединичного вращения в сочетании с об

Р сайта, но также и рибосомы с большими уд

разованием гибридного состояния P/E деацили

линениями мРНК [109], хотя каталитическая

рованной тРНК (рис. 2, f-g). Было показано, что

активность ArfB снижается по мере увеличения

степень связывания димера ArfB понижается по

длины мРНК и может зависеть от последова

мере увеличения вращения 30S субъединицы.

тельности выступа мРНК [110, 111]. Кристалло

Сильно повёрнутые рибосомы обнаруживают

графическая структура показала, что положи

равновесие между частицами с мономерным

тельно заряженный хвост образует α спираль в

ArfB связанным и вакантным A сайтом

свободном туннеле, тогда как каталитический

(рис. 2, g) [111]. Спираль 69 свободных рибосом

N концевой домен стыкуется с PTC подобно то

диссоциирует из DC и, скорее всего, будет ме

му, как это происходит у канонических RF [112].

шать связыванию ArfB с большой субъединицей.

Связывание ArfB с не повёрнутой рибосомой

Эти результаты подтверждают, что ArfB, подоб

напоминает связывание рилизинг факторов,

но каноническим RF, диссоциирует после спон

что соответствует распознаванию субстрата с ос

танного межсубъединичного вращения и нару

тановленной пептидил тРНК. Поскольку тун

шения мостика H69-DC. Хотя компоненты па

нель для мРНК не может быть занят одновре

раллельного пути спасения с участием ArfA и

менно ArfB и более длинным выступом мРНК,

RF2 были визуализированы только на не повёр

при исследованиях крио ЭМ была получена

нутой рибосоме, консервативная рибосомная

структура 70S рибосомы с ArfB и мРНК, высту

динамика комплексов, связанных с RF и ArfB,

пающей на 2 или 9 нуклеотидов за пределы P

предполагает, что аналогичный механизм может

сайта [110, 111]. Показано, что нуклеотиды де

быть использован для высвобождения ArfA и

кодирующего центра (A1492 и A1493) взаимо

RF2 и подготовки рибосомы к рециклингу.

действуют с ArfB и мРНК, обеспечивая аккомо

Митохондриальный фактор спасения ICT1

дацию различных выступов мРНК посредством

(∼200 a.о.), близкий гомолог бактериально

различных конформаций [111]. Эти результаты

го ArfB, катализирует высвобождение пептидов

подчёркивают структурную пластичность DC

из остановившихся рибосом [113]. ICT1 («imma

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1335

ture colon carcinoma transcript 1», также обозна

ся интактной, вероятно, из за уникальной кон

чаемый как MRPL58) необходим для роста кле

формации концевого остатка лизина образую

ток [113-115], и нарушение регуляции его син

щегося пептида, который, как было показано,

теза связано с туморогенезом [116]. Интересно,

является сигнатурой остановившихся рибо

что одна молекула ICT1 связывается с централь

сом [129, 130]. Хотя mtRF R вместе с MTRES1

ным выступом митохондриальной рибосо

может гидролизовать пептидил тРНК в модель

мы [117], но эта позиция далека от А сайта, ука

ных 50S комплексах E. coli in vitro [98], ещё

зывая на то, что эта молекула не катализирует

предстоит показать, спасает ли и как mtRF R

спасение рибосомы (рис. 2, i). Центральный

остановленные митохондриальные субъедини

выступ большой субъединицы взаимодействует

цы с лизил тРНК. Диссоциация mtRF R и

с малой субъединицей и с молекулами тРНК,

MTRES1 из большой субъединицы, необходи

что делает его структуру критичной для пра

мая для рециклинга рибосомы, вероятно, соп

вильной сборки рибосом и их функционирова

ряжена с диссоциацией деацил тРНК после

ния во всех царствах жизни [118-122]. Хотя ар

гидролиза пептидил тРНК. Не исключено, что в

хитектурная функция ICT1 может частично

разборке этого спасательного комплекса помо

вносить вклад в регуляцию митохондриальной

гают дополнительные факторы. Будущие иссле

трансляции, именно каталитическая функция

дования определят субстратную специфичность

другой - временно связанной - молекулы ICT1

mtRF R и механизм диссоциации mtRF R/

важна для митохондриальной трансляции. Зна

MTRES1.

чимость каталитической функции была проде

монстрирована с использованием мутационно

го анализа, показавшего прекращение роста

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ТЕРМИНАЦИЯ

клеток после изменения мотива GGQ в

И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ У ЭУКАРИОТ

ICT1 [113].

В недавно созданной крио ЭМ структуре

Терминация трансляции с участием eRF1•eRF3.

связанного с ICT1 спасательного комплекса [87]

Эукариотический фактор eRF1

(~440

а.о.)

положительно заряженная C концевая спираль

структурно отличается от бактериальных рили

ICT1 обнаруживается в мРНК туннеле

зинг факторов, и его каталитическая функция

(рис. 2, i). Каталитический N концевой домен

зависит от ГТФазной активности eRF3 [23,

стыкуется с PTC аналогично ArfB. Положение

131-133]. Домен распознавания кодонов eRF1

мотива GGQ поддерживает каталитическую

(домен N) сложен иначе, чем у бактериаль

роль остова глутамина, аналогичную роли RF.

ных RF, и несёт консервативные участки ами

Крио ЭМ исследование было выполнено с ис

нокислот, такие как мотив T⁵⁸ASNIKS⁶⁴, кото

пользованием укороченной мРНК в P сайте.

рый необходим для распознавания всех трёх

Остаётся визуализировать: если/как ICT1 рас

стоп кодонов [134-136]. Кроме того, в отличие

познает рибосомы с более длинными выступами

от бактериальных рилизинг факторов, eRF1

мРНК [123] и отражает ли склонность изолиро

распознает тетрануклеотид, включающий

ванного ICT1 к димеризации [124] механисти

3 нуклеотида стоп кодона и последующий нук

ческий сценарий, аналогичный сценарию ди

леотид [137-139]. Профилирование рибосом и

мерного ArfB, который может стабилизировать

другие исследования показали, что стоп кодон,

длинные выступы мРНК [111].

за которым следует пиримидин, приводит к ин

Митохондриальный рилизинг-фактор mtRF-R

тенсивному считыванию аннотированного

(∼170 а.о.) представляет собой митохондриаль

стоп кодона [140] в соответствии с более низ

ную пептидил тРНК гидролазу, которая необхо

кой каталитической активностью eRF1 на тет

дима для жизнеспособности клеток [125]. Мута

рануклеотиде с концевым пиримидином [138].

ции или дисрегуляция этого белка нарушают

Эта зависимость способствует переназначению

трансляцию в митохондриях и ассоциируются с

стоп кодонов в смысловые кодоны у инфузо

заболеваниями [126-128]. Недавнее исследова

рий, хотя «четвёртый» нуклеотид не является

ние крио ЭМ визуализировало человеческий

исключительной детерминантой переназначе

mtRF R с пептидил тРНК на большой митохон

ния [141-143]. Дополнительные характеристи

дриальной субъединице рибосомы [98]. Свя

ки мРНК, такие как последовательность и

зыванию mtRF R в А сайте способствует

структура вокруг стоп кодона и ниже него, иг

MTRES1, закреплённый со стеблем антикодона

рают роль в эффективности терминации эука

тРНК (рис. 2, j). Как ожидалось, каталитичес

риот [144-147].

кий домен mtRF R входит в PTC и выдвигает

Несмотря на различия между эукариотичес

мотив GGQ вблизи концевого нуклеотида P

кими и бактериальными рилизинг факторами,

тРНК. Удивительно, но пептидил тРНК остает

эукариотическая терминация сходна с бактери

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1336

КОРОСТЕЛЕВ

Рис. 3. Терминация трансляции эукариот и механизмы спасения цитоплазматических рибосом. a-c - Перестройка рили

зинг фактора eRF1 на 80S рибосоме со стоп кодоном после гидролиза ГТФ на eRF3 (a-b), и взаимодействие с фактором

рециклинга ABCE1 (c; Rli1 у дрожжей). d - Взаимодействие каталитической конформации eRF1 с тРНК в Р сайте [137].

e - Распознавание 4 нуклеотидного стоп сигнала eRF1 происходит при участии аминокислотных остатков моти

ва TASNIKS (показаны Ile62 и Lys63) и G626 18S рРНК [137]. f и g - Перестройка Pelota (Dom34 у дрожжей) на 80S рибо

соме с укороченной мРНК после гидролиза ГТФ на Hbs1 [163] и связывания ABCE1 [164]. h - Распознавание укорочен

ной мРНК белком Dom34 [163]. i - Взаимодействие открытой конформации Dom34 с тРНК в Р сайте [164]. j - Спаса

тельный 60S комплекс с пептидил тРНК гидролазой Vms1 и Arb1 [165]. k - Взаимодействие Vms1 и Arb1 с тРНК

альной тем, что её точность контролируется

связывается аналогично другим трансляцион

крупномасштабными конформационными из

ным ГТФазам, таким как факторы элонгации

менениями белка eRF1. Крио ЭМ исследова

EF Tu и eEF1A. Аминокислотные остатки рас

ния показали eRF1 на рибосоме в трёх функцио

познавания кодонов eRF1 взаимодействуют со

нальных состояниях (рис. 3, a-c): с eRF3 (с ком

всеми четырьмя нуклеотидами сигнала терми

пактным eRF1, неактивным в высвобождении

нации на мРНК, которая принимает конформа

пептида) [148-150], без eRF3 (с удлинённым

цию U поворота (рис. 3, e), приводящую к пере

eRF1, активированным для высвобождения

мещению мРНК в рибосомный туннель [157].

пептида) [139, 151] и с АТФ связывающим кас

Интересно, что несмотря на дивергенцию

сетным белком ABCE1 (Rli1 в дрожжах) [137,

структуры и последовательности от бактериаль

148, 152], фактором рециклинга, который раз

ной терминации (рис. 1, c), терминация эукари

бирает рибосомы на субъединицы [153-155].

от и бактерий имеет сходные аспекты распозна

Эти структуры в сочетании с биохимическими и

вания стоп кодона, такие как распознавание

биофизическими данными позволяют рекон

пурина в положении 3 (R3) консервативными

струировать большинство этапов терминации у

остатками Thr58 и Ile62 TASNIKS мотива

эукариот. После связывания eRF1•eRF3•ГТФ

eRF1 (рис. 3, e; [137]) и Thr198 и Ile196 белка

со стоп кодоном А сайта рибосомы

[156]

RF1 E. coli [158]. Кроме того, последний пурин в

(рис. 3, a) гидролиз ГТФ высвобождает eRF3 и

сигнале терминации (R4 у эукариот или R3 у

приводит к встраиванию каталитического доме

бактерий) стэкируется с нуклеотидом G626

на M eRF1 с мотивом GGQ в PTC (рис. 3, b и d).

(G530 у E. coli) декодирующего центра в соответ

Гидролиз ГТФ катализируется сарцин рицино

ствии с предпочтением пурина перед пирими

вой петлёй большой субъединицы, где eRF3

дином в этом положении (рис. 1, h и 3, e).

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1337

В открытой каталитической конформации

терминации, разборка связанных с Dom34 ри

C домен eRF1, который связывает N и M до

босом происходит с участием ABCE1 [172], ко

мены, может взаимодействовать с Fe S доме

торый взаимодействует с Dom34 после диссоци

ном ABCE1 и инициировать рециклинг рибосо

ации Hbs1 (рис. 3, g; [148, 164]). Будущие иссле

мы (рис. 3, c; [148, 152]). ABCE1, конформаци

дования приведут к пониманию подробностей

онная динамика которого контролируется дву

механизмов разборки рибосомы после канони

мя сайтами связывания АТФ [159] и который

ческой терминации и связывания Dom34, кото

обладает сродством как к 80S рибосоме, так и к

рые, вероятно, происходят в результате меж и

40S субъединице [160-162] помогает в расщеп

внутрисубъединичных структурных перестроек.

лении посттерминационной рибосомы через

Пептидил тРНК, связанная с большой 60S

промежуточные состояния диссоциации eRF1.

субъединицей в результате действия механизмов

Эти состояния необходимо будет визуализиро

контроля качества рибосомы, разделяется таки

вать.

ми механизмами, как добавление С концевых

Спасение остановившихся рибосом с помощью

аланил треониновых повторов (CAT хвост) к

Dom34•Hbs1 и Vms1. Хотя эукариотических

пептиду с помощью Rqc2, и его убиквитиниро

аналогов ArfA или ArfB пока не выявлено, было

вание с помощью Ltn1 (Листерин у млекопита

обнаружено несколько механизмов контроля

ющих [173]) и расщепление пептидил тРНК.

качества, которые напоминают эукариотичес

Белок Vms1 (ANKZF1 у млекопитающих) пред

кую систему терминации [166]. Dom34 (Pelota у

ставляет собой большую (~600-750 а.о.) пепти

млекопитающих) и ГТФаза Hbs1 образуют гете

дил тРНК гидролазу, которая катализирует дис

родимер, который спасает рибосомы, остано

социацию

комплексов

60S•пептидил

вившиеся на укороченных мРНК, структуриро

тРНК [174, 175]. Последовательность его ката

ванные мРНК или 3′ UTR мРНК [167-170].

литического домена напоминает последователь

Dom34 и Hbs1 очень похожи на eRF1 и eRF3 со

ность eRF1 и содержит мотив GXQ (где X -

ответственно (рис. 3, f и g). Однако у Dom34 от

это Ser294 у Saccharomyces cerevisiae) с функцио

сутствует каталитический мотив GGQ, поэтому

нально важным остатком глутамина [165, 174,

он не гидролизует пептидил тРНК, а вместо

175]. Несмотря на это сходство и на некоторое

этого способствует диссоциации субъеди

сходство с митохондриальным mtRF R [98],

ниц [170]. Крио ЭМ структуры показали, что

Vms1 не гидролизует сложноэфирную связь в

связывание Dom34 и Hbs1 с рибосомой анало

пептидил тРНК. Вместо этого Vms1 расщепляет

гично связыванию eRF1 и eRF3 [148, 163, 171].

фосфодиэфирную связь между нуклеотидами 73

ГТФазный домен Hbs1 стыкуется с сарцин ри

и 74 в тРНК, отделяя CCA пептид от остальной

циновой петлёй, в то время как длинный N кон

тРНК [176, 177]. Фрагмент тРНК подвергается

цевой хвост Hbs1 достигает туннеля входа

репарации с помощью ELAC1 и CCA добавляю

мРНК (рис. 3, f и h), принимая участие в распоз

щего фермента TRNT1 [176, 178]. Крио ЭМ ви

навании остановившихся мРНК субстра

зуализировала Vms1, связанный с 60S субъеди

тов [163, 171]. β Шпилька Dom34 входит в деко

ницей, с АТФазой Arb1 ABCF типа вблизи

дирующий центр, отдаленно напоминая бакте

тРНК (рис. 3, j) [165]. Arb1, вероятно, способ

риальные факторы спасения, которые связыва

ствует позиционированию субстрата пептидил

ются в свободном мРНК туннеле (рис. 3, h).

тРНК, тем самым повышая эффективность ре

Сравнение структуры рибосомы, связанной с

акции [165]. Каталитический домен Vms1 нахо

тРНК, eRF1 и Dom34, выявило различную кон

дится рядом с тРНК (рис. 3, k), подобно M до

формацию DC [148], подчёркивая пластичность

мену Dom34 (рис. 3, i). Петля GSQ не упорядо

эукариотического DC, напоминающую плас

чена вблизи ССА конца тРНК. Консерватив

тичность бактериальных рибосом [111]. Более

ный соседний остаток Tyr285 образует стэкинг

того, Dom34 может быть связан в присутствии

взаимодействие с нуклеотидом 72 молекулы

более длинных мРНК, включая поли A хвост,

тРНК, вытесняя нуклеотид 73 и экспонируя

благодаря перенаправлению выступа мРНК в

подлежащую расщеплению фосфодиэфирную

межсубъединичное пространство [148]. Это на

связь для гидролиза (рис. 3, k). Vms1 охватывает

поминает комплексы спасения бактерий с

большую площадь на межсубъединичном ин

ArfB [110, 111] и объясняет, как Dom34 может

терфейсе 60S субъединицы в соответствии с

распознавать ряд субстратов, не ограничиваясь

ролью Vms1 в координации гидролиза пепти

мРНК, укороченными после кодона Р сайта.

дил тРНК и деградации аномального пептида.

После открытия Dom34 (рис. 3, g) M домен

Домены типа анкириновый повтор и спирали

связывает ножку акцепторного плеча тРНК,

зованная спираль (coiled coil) направлены на

чтобы способствовать вытеснению тРНК из ри

выход из рибосомного туннеля, где VIM домен,

босомы (рис. 3, i). Аналогично канонической

вероятно, способствует Cdc48 опосредованной

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1338

КОРОСТЕЛЕВ

экстракции и клиренсу пептида протеасомой

сильно зависит от её конформации и структур

[179-181]. Будущие исследования позволят по

ных перестроек, превращающих рибосому в ак

лучить подробности того, как Vms1 кооперирует

тивного участника всех этапов процесса транс

с другими белками в диссоциации CCA пептида

ляции и контроля качества образующейся моле

и фрагмента тРНК из 60S субъединицы, позво

кулы белка.

ляя рециркулировать последнюю для трансля

ции новой мРНК.

Благодарности. Я благодарен Анне Лавлэнд и

Даррилу Конте мл. за комментарии к данной

ВЫВОДЫ

статье.

Финансирование. Данная работа выполнена

Недавние исследования раскрыли многие

при финансовой поддержке Фонда кистозного

детали механизмов терминации трансляции и

фиброза (грант № 670773) и Национального

спасения рибосомы во всех царствах жизни.

Института Здоровья (грант № R35 GM127094).

Они продемонстрировали разнообразие сцена

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсут

риев высвобождения пептидов, катализируемых

ствии конфликта интересов в финансовой или

белками с различной архитектурой. Некоторые

иной сфере.

аспекты этих сценариев ещё предстоит визуали

Соблюдение этических норм. В настоящей

зировать, однако ясно, что распознавание и

статье не содержится описание исследований с

принятие решения относительно терминации и

участием людей или животных, выполненных

судьбы остановившихся комплексов рибосомы автором.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Brenner, S., Barnett, L., Katz, E. R., and Crick, F. H.

(nonenzymic) translocation in ribosomes of Escherichia

(1967) UGA: a third nonsense triplet in the genetic code,

coli by p chloromercuribenzoate, Mol. Biol., 6, 248 254.

Nature, 213, 449 450.

13. Van Dyke, N., and Murgola, E. J. (2003) Site of function

2. Brenner, S., Stretton, A. O., and Kaplan, S.

(1965)

al interaction of release factor 1 with the ribosome, J. Mol.

Genetic code: the “nonsense” triplets for chain termina

Biol., 330, 9 13.

tion and their suppression, Nature, 206, 994 998.

14. Bouakaz, L., Bouakaz, E., Murgola, E. J., Ehrenberg, M.,

3. Spirin, A. S. (1999) Termination of translation, in

and Sanyal, S. (2006) The role of ribosomal protein L11 in

Ribosomes. Cellular Organelles, Springer, Boston, MA,

class I release factor mediated translation termination and

pp. 261 270.

translational accuracy, J. Biol. Chem., 281, 4548 4556.

4. Sogorin, E. A., Agalarov, S., and Spirin, A. S. (2016) Inter

15. Ito, K., Uno, M., and Nakamura, Y. (2000) A tripeptide

polysomal coupling of termination and initiation during

“anticodon” deciphers stop codons in messenger RNA,

translation in eukaryotic cell free system, Sci. Rep., 6,

Nature, 403, 680 684.

24518, doi: 10.1038/srep24518.

16. Oparina, N. J., Kalinina, O. V., Gelfand, M. S., and

5. Tompkins, R. K., Scolnick, E. M., and Caskey, C. T. (1970)

Kisselev, L. L. (2005) Common and specific amino acid

Peptide chain termination. VII. The ribosomal and release

residues in the prokaryotic polypeptide release factors RF1

factor requirements for peptide release, Proc. Natl. Acad.

and RF2: possible functional implications, Nucleic Acids

Sci. USA, 65, 702 708.

Res., 33, 5226 5234, doi: 10.1093/nar/gki841.

6. Scolnick, E., Tompkins, R., Caskey, T., and Nirenberg, M.

17. Laurberg, M., Asahara, H., Korostelev, A., Zhu, J.,

(1968) Release factors differing in specificity for terminator

Trakhanov, S., and Noller, H. F. (2008) Structural basis for

codons, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 61, 768 774.

translation termination on the 70S ribosome, Nature, 454,

7. Capecchi, M. R. (1967) Polypeptide chain termination in

852 857.

vitro: isolation of a release factor, Proc. Natl. Acad. Sci.

18. Korostelev, A., Asahara, H., Lancaster, L., Laurberg, M.,

USA, 58, 1144 1151.

Hirschi, A., et al. (2008) Crystal structure of a translation

8. Capecchi, M. R. (1967) A rapid assay for polypeptide chain

termination complex formed with release factor RF2, Proc.

termination, Biochem. Biophys. Res. Commun., 28, 773

Natl. Acad. Sci. USA, 105, 19684 19689.

778.

19. Korostelev, A., Zhu, J., Asahara, H., and Noller, H. F.

9. Nakamura, Y., Ito, K., Matsumura, K., Kawazu, Y., and

(2010) Recognition of the amber UAG stop codon by

Ebihara, K. (1995) Regulation of translation termination:

release factor RF1, EMBO J., 29, 2577 2585, doi: 10.1038/

conserved structural motifs in bacterial and eukaryotic

emboj.2010.139.

polypeptide release factors, Biochem. Cell. Biol., 73, 1113

20. Weixlbaumer, A., Jin, H., Neubauer, C., Voorhees, R. M.,

1122.

Petry, S., et al. (2008) Insights into translational termina

10. Frischmeyer, P. A., and Dietz, H. C. (1999) Nonsense

tion from the structure of RF2 bound to the ribosome,

mediated mRNA decay in health and disease, Hum. Mol.

Science, 322, 953 956.

Genet., 8, 1893 1900.

21. Korkmaz, G., and Sanyal, S. (2017) R213I mutation in

11. Spirin, A. S. (1969) A model of the functioning ribosome:

release facto 2 (RF2) is one step forward for engineering an

locking and unlocking of the ribosome subparticles, Cold

omnipotent release factor in bacteria Escherichia coli, J. Biol.

Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 34, 197 207.

Chem., 292, 15134 15142, doi: 10.1074/jbc.M117. 785238.

12. Gavrilova, L. P., and Spirin, A. S. (1972) Mechanism of

22. Field, A., Hetrick, B., Mathew, M., and Joseph, S. (2010)

translocation in ribosomes. II. Activation of spontaneous

Histidine 197 in release factor 1 is essential for a site bind

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1339

ing and peptide release, Biochemistry, 49, 9385 9390,

tide release factor 1 from Thermotoga maritima reveal

doi: 10.1021/bi1012047.

domain flexibility required for its interaction with the ribo

23.

Frolova, L., Le Goff, X., Rasmussen, H. H.,

some, J. Mol. Biol., 341, 227 239.

Cheperegin, S., Drugeon, G., et al. (1994) A highly con

40.

Vestergaard, B., Van, L. B., Andersen, G. R., Nyborg, J.,

served eukaryotic protein family possessing properties of

Buckingham, R. H., and Kjeldgaard, M. (2001) Bacterial

polypeptide chain release factor, Nature, 372, 701 703.

polypeptide release factor RF2 is structurally distinct from

24.

Frolova, L. Y., Tsivkovskii, R. Y., Sivolobova, G. F.,

eukaryotic eRF1, Mol. Cell, 8, 1375 1382.

Oparina, N. Y., Serpinsky, O. I., et al. (1999) Mutations in

41.

Zoldak, G., Redecke, L., Svergun, D. I., Konarev, P. V.,

the highly conserved GGQ motif of class 1 polypeptide

Voertler, C. S., et al. (2007) Release factors 2 from

release factors abolish ability of human eRF1 to trigger

Escherichia coli and Thermus thermophilus: structural, spec

peptidyl tRNA hydrolysis, RNA, 5, 1014 1020.

troscopic and microcalorimetric studies, Nucleic Acids

25.

Shaw, J. J., and Green, R. (2007) Two distinct components

Res., 35, 1343 1353.

of release factor function uncovered by nucleophile parti

42.

JCSG (2005) Crystal structure of Peptide chain release factor

tioning analysis, Mol. Cell, 28, 458 467.

1 (RF 1) (SMU.1085) from Streptococcus mutans at 2.34 A

26.

Zavialov, A. V., Mora, L., Buckingham, R. H., and

resolution, Protein Data Bank.

Ehrenberg, M. (2002) Release of peptide promoted by the

43.

Rawat, U. B., Zavialov, A. V., Sengupta, J., Valle, M.,

GGQ motif of class 1 release factors regulates the GTPase

Grassucci, R. A., et al. (2003) A cryo electron microscop

activity of RF3, Mol. Cell, 10, 789 798.

ic study of ribosome bound termination factor RF2,

27.

Seit Nebi, A., Frolova, L., Ivanova, N., Poltaraus, A., and

Nature, 421, 87 90.

Kiselev, L. (2000) Mutation of a glutamine residue in the

44.

Petry, S., Brodersen, D. E., Murphy, F. V., Dunham,

universal tripeptide GGQ in human eRF1 termination fac

C. M., Selmer, M., et al. (2005) Crystal structures of the

tor does not cause complete loss of its activity, Mol. Biol.

ribosome in complex with release factors RF1 and RF2

(Mosk.), 34, 899 900.

bound to a cognate stop codon, Cell, 123, 1255 1266.

28.

Seit Nebi, A., Frolova, L., Justesen, J., and Kisselev, L.

45.

He, S. L., and Green, R. (2010) Visualization of codon

(2001) Class 1 translation termination factors: invariant

dependent conformational rearrangements during transla

GGQ minidomain is essential for release activity and ribo

tion termination, Nat. Struct. Mol. Biol., 17, 465 470.

some binding but not for stop codon recognition, Nucleic

46.

Hetrick, B., Lee, K., and Joseph, S. (2009) Kinetics of stop

Acids Res., 29, 3982 3987.

codon recognition by release factor 1, Biochemistry, 48,

29.

Santos, N., Zhu, J., Donohue, J. P., Korostelev, A. A., and

11178 11184.

Noller, H. F. (2013) Crystal structure of the 70S ribosome

47.

Trappl, K., and Joseph, S. (2016) Ribosome induces a

bound with the Q253P mutant form of release factor RF2,

closed to open conformational change in release factor 1,

Structure, 21, 1258 1263, doi: 10.1016/j.str.2013.04.028.

J. Mol. Biol., 428, 1333 1344, doi: 10.1016/j.jmb.2016.

30.

Korostelev, A. A. (2011) Structural aspects of translation

01.021.

termination on the ribosome, RNA, 17, 1409 1421.

48.

Svidritskiy, E., and Korostelev, A. A.

(2018)

31.

Dunkle, J. A., and Cate, J. H. (2010) Ribosome structure

Conformational control of translation termination on the

and dynamics during translocation and termination, Annu.

70S ribosome, Structure, 26, 821 828.

Rev. Biophys., 39, 227 244, doi: 10.1146/annurev.biophys.

49.

Demo, G., Svidritskiy, E., Madireddy, R., Diaz Avalos, R.,

37.032807.125954.

Grant, T., et al. (2017) Mechanism of ribosome rescue by

32.

Ramakrishnan, V. (2011) Structural studies on decoding,

ArfA and RF2, Elife, 6, doi: 10.7554/eLife.23687.

termination and translocation in the bacterial ribosome, in

50.

James, N. R., Brown, A., Gordiyenko, Y., and

Ribosomes: Structure, Function, and Dynamics (Rodnina,

Ramakrishnan, V. (2016) Translational termination with

M., Wintermeyer, W., and Green, R., eds.) Springer,

out a stop codon, Science, 354, 1437 1440, doi: 10.1126/

pp. 19 30.

science.aai9127.

33.

Rodnina, M. V. (2018) Translation in prokaryotes, Cold

51.

Fu, Z., Indrisiunaite, G., Kaledhonkar, S., Shah, B.,

Spring Harb. Perspect. Biol., 10, doi: 10.1101/cshperspect.

Sun, M., et al. (2019) The structural basis for release fac

a032664.

tor activation during translation termination revealed by

34.

Youngman, E. M., McDonald, M. E., and Green, R.

time resolved cryogenic electron microscopy, Nat.

(2008) Peptide release on the ribosome: mechanism and

Commun., 10, 2579, doi: 10.1038/s41467 019 10608 z.

implications for translational control, Annu. Rev.

52.

Fislage, M., Zhang, J., Brown, Z. P., Mandava, C. S.,

Microbiol., 62, 353 373.

Sanyal, S., et al. (2018) Cryo EM shows stages of initial

35.

Adio, S., Sharma, H., Senyushkina, T., Karki, P.,

codon selection on the ribosome by aa tRNA in ternary

Maracci, C., et al. (2018) Dynamics of ribosomes and

complex with GTP and the GTPase deficient EF

release factors during translation termination in E. coli,

TuH84A, Nucleic Acids Res., 46, 5861 5874, doi: 10.1093/

Elife, 7, doi: 10.7554/eLife.34252.

nar/gky346.

36.

Prabhakar, A., Capece, M. C., Petrov, A., Choi, J., and

53.

Ogle, J. M., Brodersen, D. E., Clemons, W. M., Jr., Tarry,

Puglisi, J. D. (2017) Post termination ribosome intermedi

M. J., Carter, A. P., and Ramakrishnan, V.

(2001)

ate acts as the gateway to ribosome recycling, Cell Rep., 20,

Recognition of cognate transfer RNA by the 30S ribosomal

161 172, doi: 10.1016/j.celrep.2017.06.028.

subunit, Science, 292, 897 902.

37.

Sternberg, S. H., Fei, J., Prywes, N., McGrath, K. A., and

54.

Loveland, A. B., Demo, G., Grigorieff, N., and

Gonzalez, R. L., Jr. (2009) Translation factors direct

Korostelev, A. A. (2017) Ensemble cryo EM elucidates the

intrinsic ribosome dynamics during translation termination

mechanism of translation fidelity, Nature, 546, 113 117,

and ribosome recycling, Nat. Struct. Mol. Biol., 16, 861

doi: 10.1038/nature22397.

868, doi: 10.1038/nsmb.1622.

55.

Amort, M., Wotzel, B., Bakowska Zywicka, K., Erlacher,

38.

Indrisiunaite, G., Pavlov, M. Y., Heurgue Hamard, V., and

M. D., Micura, R., and Polacek, N. (2007) An intact ribose

Ehrenberg, M. (2015) On the pH dependence of class 1

moiety at A2602 of 23S rRNA is key to trigger peptidyl

RF dependent termination of mRNA translation, J. Mol.

tRNA hydrolysis during translation termination, Nucleic

Biol., 427, 1848 1860, doi: 10.1016/j.jmb.2015.01.007.

Acids Res., 35, 5130 5140, doi: 10.1093/nar/gkm539.

39.

Shin, D. H., Brandsen, J., Jancarik, J., Yokota, H.,

56.

Polacek, N., Gomez, M. J., Ito, K., Xiong, L.,

Kim, R., and Kim, S. H. (2004) Structural analyses of pep

Nakamura, Y., and Mankin, A. (2003) The critical role of

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1340

КОРОСТЕЛЕВ

the universally conserved A2602 of 23S ribosomal RNA in

72.

Blanchard, S. C., Kim, H. D., Gonzalez, R. L., Jr., Puglisi,

the release of the nascent peptide during translation termi

J. D., and Chu, S. (2004) tRNA dynamics on the ribosome

nation, Mol. Cell, 11, 103 112.

during translation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 12893

57.

Youngman, E. M., Brunelle, J. L., Kochaniak, A. B., and

12898, doi: 10.1073/pnas.0403884101.

Green, R. (2004) The active site of the ribosome is com

73.

Agirrezabala, X., Lei, J., Brunelle, J. L., Ortiz Meoz, R. F.,

posed of two layers of conserved nucleotides with distinct

Green, R., and Frank J. (2008) Visualization of the hybrid

roles in peptide bond formation and peptide release, Cell,

state of tRNA binding promoted by spontaneous ratcheting

117, 589 599.

of the ribosome, Mol. Cell, 32, 190 197, doi: 10.1016/

58.

Graf, M., Huter, P., Maracci, C., Peterek, M., Rodnina,

j.molcel.2008.10.001.

M. V., and Wilson, D. N. (2018) Visualization of transla

74.

Julian, P., Konevega, A. L., Scheres, S. H., Lazaro, M.,

tion termination intermediates trapped by the Apidaecin

Gil, D., et al. (2008) Structure of ratcheted ribosomes with

137 peptide during RF3 mediated recycling of RF1,

tRNAs in hybrid states, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105,

Nat. Commun., 9, 3053, doi: 10.1038/s41467 018 05465 1.

16924 16927, doi: 10.1073/pnas.0809587105.

59.

Florin, T., Maracci, C., Graf, M., Karki, P., Klepacki, D.,

75.

Zhou, J., Lancaster, L., Trakhanov, S., and Noller, H. F.

et al. (2017) An antimicrobial peptide that inhibits trans

(2012) Crystal structure of release factor RF3 trapped in

lation by trapping release factors on the ribosome, Nat.

the GTP state on a rotated conformation of the ribosome,

Struct. Mol. Biol., 24, 752757, doi: 10.1038/nsmb.

RNA, 18, 230 240, doi: 10.1261/rna.031187.111.

3439.

76.

Ermolenko, D. N., Majumdar, Z. K., Hickerson, R. P.,

60.

Freistroffer, D. V., Pavlov, M. Y., MacDougall, J.,

Spiegel, P. C., Clegg, R. M., and Noller, H. F. (2007)

Buckingham, R. H., and Ehrenberg, M. (1997) Release

Observation of intersubunit movement of the ribosome in

factor RF3 in E.coli accelerates the dissociation of release

solution using FRET, J. Mol. Biol., 370, 530 540.

factors RF1 and RF2 from the ribosome in a GTP depen

77.

Gao, H., Zhou, Z., Rawat, U., Huang, C., Bouakaz, L.,

dent manner, EMBO J., 16, 4126 4133, doi: 10.1093/

et al. (2007) RF3 induces ribosomal conformational

emboj/16.13.4126.

changes responsible for dissociation of class I release fac

61.

Svidritskiy, E., Demo, G., Loveland, A. B., Xu, C., and

tors, Cell, 129, 929 941, doi: 10.1016/j.cell.2007.03.050.

Korostelev, A. A. (2019) Extensive ribosome and RF2

78.

Jin, H., Kelley, A. C., and Ramakrishnan, V. (2011) Crystal

rearrangements during translation termination, Elife, 8,

structure of the hybrid state of ribosome in complex with

e46850, doi: 10.7554/eLife.46850.

the guanosine triphosphatase release factor 3, Proc. Natl.

62.

Ling, C., and Ermolenko, D. N. (2016) Structural insights

Acad. Sci. USA, 108, 15798 15803, doi: 10.1073/pnas.

into ribosome translocation, WIREs RNA, 7, 620 636,

1112185108.

doi: 10.1002/wrna.1354.

79.

Leipe, D. D., Wolf, Y. I., Koonin, E. V., and Aravind, L.

63.

Noller, H. F., Lancaster, L., Zhou, J., and Mohan, S.

(2002) Classification and evolution of P loop GTPases and

(2017) The ribosome moves: RNA mechanics and translo

related ATPases, J. Mol. Biol., 317, 41 72, doi: 10.1006/

cation, Nat. Struct. Mol. Biol.,

24,

10211027,

jmbi.2001.5378.

doi: 10.1038/nsmb.3505.

80.

Mikuni, O., Ito, K., Moffat, J., Matsumura, K.,

64.

Voorhees, R. M., and Ramakrishnan, V. (2013) Structural

McCaughan, K., et al. (1994) Identification of the prfC

basis of the translational elongation cycle, Annu. Rev.

gene, which encodes peptide chain release factor 3 of

Biochem., 82, 203 236, doi: 10.1146/annurev biochem

Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, 5798 5802.

113009 092313.

81.

Grentzmann, G., Brechemier Baey, D., Heurgue, V.,

65.

Chen, J., Tsai, A., O’Leary, S. E., Petrov, A., and Puglisi,

Mora, L., and Buckingham, R. H. (1994) Localization and

J. D. (2012) Unraveling the dynamics of ribosome translo

characterization of the gene encoding release factor RF3 in

cation, Curr. Opin. Struct. Biol., 22, 804 814, doi: 10.1016/

Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, 5848 5852.

j.sbi.2012.09.004.

82.

Pai, R. D., Zhang, W., Schuwirth, B. S., Hirokawa, G.,

66.

Frank, J., and Gonzalez, R. L., Jr. (2010) Structure and

Kaji, H., et al. (2008) Structural insights into ribosome

dynamics of a processive Brownian motor: the translating

recycling factor interactions with the 70S ribosome, J. Mol.

ribosome, Annu. Rev. Biochem., 79, 381 412.

Biol., 376, 1334 1347, doi: 10.1016/j.jmb.2007.12.048.

67.

Casy, W., Prater, A. R., and Cornish, P. V. (2018) Operative

83.

Borovinskaya, M. A., Pai, R. D., Zhang, W., Schuwirth,

binding of Class I release factors and YaeJ stabilizes the

B. S., Holton, J. M., et al. (2007) Structural basis for

ribosome in the nonrotated state, Biochemistry, 57, 1954

aminoglycoside inhibition of bacterial ribosome recycling,

1966, doi: 10.1021/acs.biochem.7b00824.

Nat. Struct. Mol. Biol., 14, 727732, doi: 10.1038/

68.

Jin, H., Kelley, A. C., Loakes, D., and Ramakrishnan, V.

nsmb1271.

(2010) Structure of the 70S ribosome bound to release fac

84.

Ayyub, S. A., Gao, F., Lightowlers, R. N., and

tor 2 and a substrate analog provides insights into catalysis

Chrzanowska Lightowlers, Z. M. (2020) Rescuing stalled

of peptide release, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 8593

mammalian mitoribosomes - what can we learn from bac

8598.

teria? J. Cell Sci., 133, doi: 10.1242/jcs.231811.

69.

Wasserman, M. R., Alejo, J. L., Altman, R. B., and

85.

Soleimanpour Lichaei, H. R., Kuhl, I., Gaisne, M.,

Blanchard, S. C. (2016) Multiperspective smFRET reveals

Passos, J. F., Wydro, M., et al. (2007) mtRF1a is a human

rate determining late intermediates of ribosomal translo

mitochondrial translation release factor decoding the

cation, Nat. Struct. Mol. Biol., 23, 333 341, doi: 10.1038/

major termination codons UAA and UAG, Mol. Cell, 27,

nsmb.3177.

745 757.

70.

Cornish, P. V., Ermolenko, D. N., Noller, H. F., and Ha, T.

86.

Nozaki, Y., Matsunaga, N., Ishizawa, T., Ueda, T., and

(2008) Spontaneous intersubunit rotation in single ribo

Takeuchi, N. (2008) HMRF1L is a human mitochondrial

somes, Mol. Cell, 30, 578 588, doi: 10.1016/j.molcel.

translation release factor involved in the decoding of the

2008.05.004.

termination codons UAA and UAG, Genes Cells, 13, 429

71.

Sharma, H., Adio, S., Senyushkina, T., Belardinelli, R.,

438.

Peske, F., and Rodnina, M. V. (2016) Kinetics of sponta

87.

Kummer, E., Schubert, K. N., Schoenhut, T., Scaiola, A.,

neous and EF G accelerated rotation of ribosomal sub

and Ban, N. (2021) Structural basis of translation termina

units, Cell Rep., 16, 2187 2196, doi: 10.1016/j.celrep.

tion, rescue, and recycling in mammalian mitochondria,

2016.07.051.

Mol. Cell, doi: 10.1016/j.molcel.2021.03.042.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1341

88. Aibara, S., Singh, V., Modelska, A., and Amunts, A. (2020)

106. Shimokawa Chiba, N., Muller, C., Fujiwara, K.,

Structural basis of mitochondrial translation, Elife, 9,

Beckert, B., Ito, K., et al. (2019) Release factor dependent

doi: 10.7554/eLife.58362.

ribosome rescue by BrfA in the Gram positive bacterium

89. Kummer, E., and Ban, N. (2020) Structural insights into

Bacillus subtilis, Nat. Commun., 10, 5397, doi: 10.1038/

mammalian mitochondrial translation elongation cat

s41467 019 13408 7.

alyzed by mtEFG1, EMBO J., 39, e104820, doi: 10.15252/

107. Goralski, T. D. P., Kirimanjeswara, G. S., and Keiler, K. C.

embj.2020104820.

(2018) A new mechanism for ribosome rescue can recruit

90. Zhang, Y., and Spremulli, L. L. (1998) Identification and

RF1 or RF2 to nonstop ribosomes, mBio, 9, doi: 10.1128/

cloning of human mitochondrial translational release fac

mBio.02436 18.

tor 1 and the ribosome recycling factor, Biochim. Biophys.

108. Burroughs, A. M., and Aravind, L. (2019) The origin and

Acta, 1443, 245 250, doi: 10.1016/s0167 4781(98)00223 1.

evolution of release factors: implications for translation

91. Lind, C., Sund, J., and Aqvist, J. (2013) Codon reading

termination, ribosome rescue, and quality control path

specificities of mitochondrial release factors and transla

ways, Int. J. Mol. Sci., 20, doi: 10.3390/ijms20081981.

tion termination at non standard stop codons, Nat.

109. Handa, Y., Inaho, N., and Nameki, N. (2011) YaeJ is a

Commun., 4, 2940, doi: 10.1038/ncomms3940.

novel ribosome associated protein in Escherichia coli that

92. Huynen, M. A., Duarte, I., Chrzanowska Lightowlers,

can hydrolyze peptidyl tRNA on stalled ribosomes,

Z. M., and Nabuurs, S. B. (2012) Structure based hypoth

Nucleic Acids Res., 39, 17391748, doi: 10.1093/nar/

esis of a mitochondrial ribosome rescue mechanism,

gkq1097.

Biol. Direct., 7, 14, doi: 10.1186/1745 6150 7 14.

110. Chan, K. H., Petrychenko, V., Mueller, C., Maracci, C.,

93. Young, D. J., Edgar, C. D., Murphy, J., Fredebohm, J.,

Holtkamp, W., et al. (2020) Mechanism of ribosome rescue

Poole, E. S., and Tate, W. P. (2010) Bioinformatic, struc

by alternative ribosome rescue factor B, Nat. Commun., 11,

tural, and functional analyses support release factor like

4106, doi: 10.1038/s41467 020 17853 7.

MTRF1 as a protein able to decode nonstandard stop

111.

Carbone, C. E., Demo, G., Madireddy, R., Svidritskiy, E.,

codons beginning with adenine in vertebrate mitochondria,

and Korostelev, A. A. (2020) ArfB can displace mRNA to

RNA, 16, 1146 1155.

rescue stalled ribosomes, Nat. Commun., 11, 5552,

94. Temperley, R., Richter, R., Dennerlein, S., Lightowlers,

doi: 10.1038/s41467 020 19370 z.

R. N., and Chrzanowska Lightowlers, Z. M. (2010)

112. Gagnon, M. G., Seetharaman, S. V., Bulkley, D., and

Hungry codons promote frameshifting in human mito

Steitz, T. A. (2012) Structural basis for the rescue of stalled

chondrial ribosomes, Science, 327, 301.

ribosomes: structure of YaeJ bound to the ribosome,

95. Ito, K., Chadani, Y., Nakamori, K., Chiba, S.,

Science, 335, 1370 1372, doi: 10.1126/science.1217443.

Akiyama, Y., and Abo, T. (2011) Nascentome analysis

113. Richter, R., Rorbach, J., Pajak, A., Smith, P. M., Wessels,

uncovers futile protein synthesis in Escherichia coli, PLoS

H. J., et al. (2010) A functional peptidyl tRNA hydrolase,

One, 6, e28413, doi: 10.1371/journal.pone.0028413.

ICT1, has been recruited into the human mitochondrial

96. Hayes, C. S., and Keiler, K. C. (2010) Beyond ribosome

ribosome, EMBO J., 29, 1116 1125.

rescue: tmRNA and co translational processes, FEBS

114. Handa, Y., Hikawa, Y., Tochio, N., Kogure, H.,

Lett., 584, 413 419, doi: 10.1016/j.febslet.2009.11.023.

Inoue, M., et al. (2010) Solution structure of the catalytic

97. Keiler, K. C. (2015) Mechanisms of ribosome rescue in

domain of the mitochondrial protein ICT1 that is essential

bacteria, Nat. Rev. Microbiol., 13, 285 297, doi: 10.1038/

for cell vitality, J. Mol. Biol., 404, 260 273.

nrmicro3438.

115. Feaga, H. A., Quickel, M. D., Hankey Giblin, P. A., and

98. Desai, N., Yang, H., Chandrasekaran, V., Kazi, R.,

Keiler, K. C. (2016) Human cells require non stop ribo

Minczuk, M., and Ramakrishnan, V. (2020) Elongational

some rescue activity in mitochondria, PLoS Genet., 12,

stalling activates mitoribosome associated quality control,

e1005964, doi: 10.1371/journal.pgen.1005964.

Science, 370, 1105 1110, doi: 10.1126/science.abc7782.

116. Pan, X., Tan, J., Weng, X., Du, R., Jiang, Y., et al. (2021)

99. Chadani, Y., Ito, K., Kutsukake, K., and Abo, T. (2012) ArfA

ICT1 Promotes osteosarcoma cell proliferation and

recruits release factor 2 to rescue stalled ribosomes by pep

inhibits apoptosis via STAT3/BCL 2 pathway, Biomed. Res.

tidyl tRNA hydrolysis in Escherichia coli, Mol. Microbiol.,

Int., 2021, 8971728, doi: 10.1155/2021/8971728.

86, 37 50, doi: 10.1111/j.1365 2958.2012.08190.x.

117. Greber, B. J., Boehringer, D., Leitner, A., Bieri, P., Voigts

100. Shimizu, Y. (2012) ArfA recruits RF2 into stalled ribosomes,

Hoffmann, F., et al. (2014) Architecture of the large sub

J. Mol. Biol., 423, 624 631, doi: 10.1016/j.jmb.2012.08.007.

unit of the mammalian mitochondrial ribosome, Nature,

101. Zeng, F., and Jin, H. (2016) Peptide release promoted by

505, 515 519, doi: 10.1038/nature12890.

methylated RF2 and ArfA in nonstop translation is

118. Kater, L., Mitterer, V., Thoms, M., Cheng, J.,

achieved by an induced fit mechanism, RNA, 22, 49 60,

Berninghausen, O., et al. (2020) Construction of the cen

doi: 10.1261/rna.053082.115.

tral protuberance and L1 stalk during 60S subunit biogene

102. Huter, P., Muller, C., Beckert, B., Arenz, S.,

sis, Mol. Cell, 79, 615 628.e615, doi: 10.1016/j.molcel.

Berninghausen, O., et al. (2017) Structural basis for ArfA

2020.06.032.

RF2 mediated translation termination on mRNAs lacking

119. Nikolay, R., Hilal, T., Qin, B., Mielke, T., Burger, J., et al.

stop codons, Nature,

541,

546549, doi:

10.1038/

(2018) Structural visualization of the formation and activa

nature20821.

tion of the 50S ribosomal subunit during in vitro reconstitu

103. Ma, C., Kurita, D., Li, N., Chen, Y., Himeno, H., and

tion, Mol. Cell, 70, 881 893.e883, doi: 10.1016/j.molcel.

Gao, N. (2017) Mechanistic insights into the alternative

2018.05.003.

translation termination by ArfA and RF2, Nature, 541,

120. Davis, J. H., Tan, Y. Z., Carragher, B., Potter, C. S.,

550 553, doi: 10.1038/nature20822.

Lyumkis, D., and Williamson, J. R. (2016) Modular

104. Zeng, F., Chen, Y., Remis, J., Shekhar, M., Phillips, J. C.,

assembly of the bacterial large ribosomal subunit, Cell, 167,

et al. (2017) Structural basis of co translational quality

1610 1622.e1615, doi: 10.1016/j.cell.2016.11.020.

control by ArfA and RF2 bound to ribosome, Nature, 541,

121. Huang, S., Aleksashin, N. A., Loveland, A. B.,

554 557, doi: 10.1038/nature21053.

Klepacki, D., Reier, K., et al. (2020) Ribosome engineer

105. Muller, C., Crowe McAuliffe, C., and Wilson, D. N.

ing reveals the importance of 5S rRNA autonomy for ribo

(2021) Ribosome rescue pathways in bacteria, Front.

some assembly, Nat. Commun., 11, 2900, doi: 10.1038/

Microbiol., 12, 652980, doi: 10.3389/fmicb.2021.652980.

s41467 020 16694 8.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

1342

КОРОСТЕЛЕВ

122. Waltz, F., Soufari, H., Bochler, A., Giege, P., and

close to the stop codon in the A site of the 80S ribosome,

Hashem, Y. (2020) Cryo EM structure of the RNA rich

Mol. Biol., 41, 781 789.

plant mitochondrial ribosome, Nat. Plants, 6, 377 383,

137. Brown, A., Shao, S., Murray, J., Hegde, R. S., and

doi: 10.1038/s41477 020 0631 5.

Ramakrishnan, V. (2015) Structural basis for stop codon

123. Akabane, S., Ueda, T., Nierhaus, K. H., and Takeuchi, N.

recognition in eukaryotes, Nature,

524,

493496,

(2014) Ribosome rescue and translation termination at

doi: 10.1038/nature14896.

non standard stop codons by ICT1 in mammalian mito

138. Brown, C. M., Stockwell, P. A., Trotman, C. N., and Tate,

chondria, PLoS Genet., 10, e1004616, doi: 10.1371/journal.

W. P. (1990) Sequence analysis suggests that tetra

pgen.1004616.

nucleotides signal the termination of protein synthesis in

124. Vaishya, S., Kumar, V., Gupta, A., Siddiqi, M. I., and

eukaryotes, Nucleic Acids Res., 18, 6339 6345.

Habib, S. (2016) Polypeptide release factors and stop

139. Matheisl, S., Berninghausen, O., Becker, T., and

codon recognition in the apicoplast and mitochondrion of

Beckmann, R. (2015) Structure of a human translation ter

Plasmodium falciparum, Mol. Microbiol., 100, 1080 1095,

mination complex, Nucleic Acids Res., 43, 8615 8626,

doi: 10.1111/mmi.13369.

doi: 10.1093/nar/gkv909.

125. Kogure, H., Hikawa, Y., Hagihara, M., Tochio, N.,

140. Jungreis, I., Lin, M. F., Spokony, R., Chan, C. S.,

Koshiba, S., et al. (2012) Solution structure and siRNA

Negre, N., et al. (2011) Evidence of abundant stop codon

mediated knockdown analysis of the mitochondrial dis

readthrough in Drosophila and other metazoa, Genome

ease related protein C12orf65, Proteins, 80, 2629 2642,

Res., 21, 2096 2113, doi: 10.1101/gr.119974.110.

doi: 10.1002/prot.24152.

141. Swart, E. C., Serra, V., Petroni, G., and Nowacki, M.

126. Antonicka, H., Ostergaard, E., Sasarman, F.,

(2016) Genetic codes with no dedicated stop codon: con

Weraarpachai, W., Wibrand, F., et al. (2010) Mutations in

text dependent translation termination, Cell, 166, 691

C12orf65 in patients with encephalomyopathy and a mito

702, doi: 10.1016/j.cell.2016.06.020.

chondrial translation defect, Am. J. Hum. Genet., 87, 115

142. Heaphy, S. M., Mariotti, M., Gladyshev, V. N., Atkins,

122, doi: 10.1016/j.ajhg.2010.06.004.

J. F., and Baranov, P. V. (2016) Novel ciliate genetic code

127. Wesolowska, M., Gorman, G. S., Alston, C. L., Pajak, A.,

variants including the reassignment of all three stop codons

Pyle, A., et al. (2015) Adult onset leigh syndrome in the

to sense codons in Condylostoma magnum, Mol. Biol. Evol.,

intensive care setting: a novel presentation of a C12orf65

33, 2885 2889, doi: 10.1093/molbev/msw166.

related mitochondrial disease, J. Neuromuscul. Dis., 2,

143. Zahonova, K., Kostygov, A. Y., Sevcikova, T.,

409 419, doi: 10.3233/JND 150121.

Yurchenko, V., and Elias, M. (2016) An unprecedented

128. Zorkau, M., Albus, C. A., Berlinguer Palmini, R.,

non canonical nuclear genetic code with all three termina

Chrzanowska Lightowlers, Z. M. A., and Lightowlers,

tion codons reassigned as sense codons, Curr. Biol., 26,

R. N. (2021) High resolution imaging reveals compart

2364 2369, doi: 10.1016/j.cub.2016.06.064.

mentalization of mitochondrial protein synthesis in cul

144. Anzalone, A. V., Zairis, S., Lin, A. J., Rabadan, R., and

tured human cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 118,

Cornish, V. W. (2019) Interrogation of eukaryotic stop

doi: 10.1073/pnas.2008778118.

codon readthrough signals by in vitro RNA selection,

129. Chandrasekaran, V., Juszkiewicz, S., Choi, J., Puglisi,

Biochemistry, 58, 1167 1178, doi: 10.1021/acs.biochem.

J. D., Brown, A., et al. (2019) Mechanism of ribosome

8b01280.

stalling during translation of a poly(A) tail, Nat. Struct.

145. Firth, A. E., Wills, N. M., Gesteland, R. F., and Atkins, J. F.

Mol. Biol., 26, 11321140, doi: 10.1038/s41594 019

(2011) Stimulation of stop codon readthrough: frequent

0331 x.

presence of an extended 3′ RNA structural element, Nucleic

130. Tesina, P., Lessen, L. N., Buschauer, R., Cheng, J., Wu,

Acids Res., 39, 6679 6691, doi: 10.1093/nar/gkr224.

C. C., et al. (2020) Molecular mechanism of translational

146. Bonetti, B., Fu, L., Moon, J., and Bedwell, D. M. (1995)

stalling by inhibitory codon combinations and poly(A)

The efficiency of translation termination is determined by

tracts, EMBO J., 39, e103365, doi: 10.15252/embj.

a synergistic interplay between upstream and downstream

2019103365.

sequences in Saccharomyces cerevisiae, J. Mol. Biol., 251,

131. Frolova, L., Le Goff, X., Zhouravleva, G., Davydova, E.,

334 345.

Philippe, M., and Kisselev, L. (1996) Eukaryotic polypep

147. Harrell, L., Melcher, U., and Atkins, J. F.

(2002)

tide chain release factor eRF3 is an eRF1 and ribosome

Predominance of six different hexanucleotide recoding sig

dependent guanosine triphosphatase, RNA, 2, 334 341.

nals 3′ of read through stop codons, Nucleic Acids Res., 30,

132. Alkalaeva, E. Z., Pisarev, A. V., Frolova, L. Y., Kisselev,

2011 2017, doi: 10.1093/nar/30.9.2011.

L. L., and Pestova, T. V. (2006) In vitro reconstitution of

148. Shao, S., Murray, J., Brown, A., Taunton, J.,

eukaryotic translation reveals cooperativity between release

Ramakrishnan, V., and Hegde, R. S. (2016) Decoding

factors eRF1 and eRF3, Cell, 125, 1125 1136.

mammalian ribosome mRNA states by translational

133. Salas Marco, J., and Bedwell, D. M. (2004) GTP hydrol

GTPase complexes, Cell,

167,

12291240.e1215,

ysis by eRF3 facilitates stop codon decoding during

doi: 10.1016/j.cell.2016.10.046.

eukaryotic translation termination, Mol. Cell Biol., 24,

149. Muhs, M., Hilal, T., Mielke, T., Skabkin, M. A.,

7769 7778.

Sanbonmatsu, K. Y., et al. (2015) Cryo EM of ribosomal

134. Frolova, L., Seit Nebi, A., and Kisselev, L. (2002) Highly

80S complexes with termination factors reveals the translo

conserved NIKS tetrapeptide is functionally essential in

cated cricket paralysis virus IRES, Mol. Cell, 57, 422 432,

eukaryotic translation termination factor eRF1, RNA, 8,

doi: 10.1016/j.molcel.2014.12.016.

129 136.

150. Des Georges, A., Hashem, Y., Unbehaun, A., Grassucci,

135. Muramatsu, T., Heckmann, K., Kitanaka, C., and

R. A., Taylor, D., et al. (2014) Structure of the mammalian

Kuchino, Y. (2001) Molecular mechanism of stop codon

ribosomal pre termination complex associated with

recognition by eRF1: a wobble hypothesis for peptide anti

eRF1.eRF3.GDPNP, Nucleic Acids Res., 42, 3409 3418,

codons, FEBS Lett., 488, 105 109, doi: 10.1016/s0014

doi: 10.1093/nar/gkt1279.

5793(00)02391 7.

151. Li, W., Chang, S. T., Ward, F. R., and Cate, J. H. D. (2020)

136. Bulygin, K. N., Popugaeva, E. A., Repkova, M. N.,

Selective inhibition of human translation termination by a

Meschaninova, M. I., Ven’yaminova, A. G., et al. (2007)

drug like compound, Nat. Commun., 11, 4941, doi: 10.1038/

The C domain of translation termination factor eRF1 is

s41467 020 18765 2.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021

ТЕРМИНАЦИЯ И СПАСЕНИЕ РИБОСОМЫ

1343

152. Preis, A., Heuer, A., Barrio Garcia, C., Hauser, A., Eyler,

167. Van den Elzen, A. M., Schuller, A., Green, R., and

D. E., et al. (2014) Cryoelectron microscopic structures of

Seraphin, B. (2014) Dom34 Hbs1 mediated dissociation of

eukaryotic translation termination complexes containing

inactive 80S ribosomes promotes restart of translation after

eRF1 eRF3 or eRF1 ABCE1, Cell Rep.,

5965,

stress, EMBO J.,

33,

265276, doi:

10.1002/embj.

doi: 10.1016/j.celrep.2014.04.058.

201386123.

153. Pisarev, A. V., Skabkin, M. A., Pisareva, V. P., Skabkina,

168. Guydosh, N. R., and Green, R. (2014) Dom34 rescues

O. V., Rakotondrafara, A. M., et al. (2010) The role of

ribosomes in 3′ untranslated regions, Cell, 156, 950 962,

ABCE1 in eukaryotic posttermination ribosomal recycling,

doi: 10.1016/j.cell.2014.02.006.

Mol. Cell, 37, 196 210.

169. Passos, D. O., Doma, M. K., Shoemaker, C. J.,

154. Annibaldis, G., Domanski, M., Dreos, R., Contu, L.,

Muhlrad, D., Green, R., et al. (2009) Analysis of Dom34

Carl, S., et al. (2020) Readthrough of stop codons under

and its function in no go decay, Mol. Biol. Cell, 20, 3025

limiting ABCE1 concentration involves frameshifting and

3032, doi: 10.1091/mbc.E09 01 0028.

inhibits nonsense mediated mRNA decay, Nucleic Acids

170. Shoemaker, C. J., Eyler, D. E., and Green, R. (2010)

Res., 48, 10259 10279, doi: 10.1093/nar/gkaa758.

Dom34:Hbs1 promotes subunit dissociation and peptidyl

155. Young, D. J., Guydosh, N. R., Zhang, F., Hinnebusch, A.

tRNA drop off to initiate no go decay, Science, 330, 369

G., and Green, R. (2015) Rli1/ABCE1 recycles terminat

372, doi: 10.1126/science.1192430.

ing ribosomes and controls translation reinitiation in 3′

171. Becker, T., Armache, J. P., Jarasch, A., Anger, A. M.,

UTRs in vivo, Cell, 162, 872 884, doi: 10.1016/j.cell.

Villa, E., et al. (2011) Structure of the no go mRNA decay

2015.07.041.

complex Dom34 Hbs1 bound to a stalled 80S ribosome,

156. Lawson, M. R., Lessen, L. N., Wang, J., Prabhakar, A.,

Nat. Struct. Mol. Biol., 18, 715720, doi: 10.1038/

Corsepius, N. C., et al. (2021) Mechanisms that ensure

nsmb.2057.

speed and fidelity in eukaryotic translation termination,

172. Pisareva, V. P., Skabkin, M. A., Hellen, C. U., Pestova,

bioRxiv, doi: 10.1101/2021.04.01.438116.

T. V., and Pisarev, A. V. (2011) Dissociation by Pelota,

157. Kryuchkova, P., Grishin, A., Eliseev, B., Karyagina, A.,

Hbs1 and ABCE1 of mammalian vacant 80S ribosomes

Frolova, L., and Alkalaeva, E. (2013) Two step model of

and stalled elongation complexes, EMBO J., 30, 1804

stop codon recognition by eukaryotic release factor eRF1,

1817, doi: 10.1038/emboj.2011.93.

Nucleic Acids Res., 41, 4573 4586, doi: 10.1093/nar/

173. Kostova, K. K., Hickey, K. L., Osuna, B. A., Hussmann,

gkt113.

J. A., Frost, A., et al. (2017) CAT tailing as a fail safe

158. Svidritskiy, E., Demo, G., and Korostelev, A. A. (2018)

mechanism for efficient degradation of stalled nascent

Mechanism of premature translation termination on a

polypeptides, Science, 357, 414 417, doi: 10.1126/science.

sense codon, J. Biol. Chem.,

293,

1247212479,

aam7787.

doi: 10.1074/jbc.AW118.003232.

174. Verma, R., Reichermeier, K. M., Burroughs, A. M., Oania,

159. Gouridis, G., Hetzert, B., Kiosze Becker, K., de Boer, M.,

R. S., Reitsma, J. M., et al. (2018) Vms1 and ANKZF1

Heinemann, H., et al. (2019) ABCE1 controls ribosome

peptidyl tRNA hydrolases release nascent chains from

recycling by an asymmetric dynamic conformational equi

stalled ribosomes, Nature, 557, 446 451, doi: 10.1038/

librium, Cell Rep., 28, 723 734.e726, doi: 10.1016/j.celrep.

s41586 018 0022 5.

2019.06.052.

175. Zurita Rendon, O., Fredrickson, E. K., Howard, C. J., Van

160. Heuer, A., Gerovac, M., Schmidt, C., Trowitzsch, S.,

Vranken, J., Fogarty, S., et al. (2018) Vms1p is a release fac

Preis, A., et al. (2017) Structure of the 40S ABCE1 post

tor for the ribosome associated quality control complex,

splitting complex in ribosome recycling and translation ini

Nat. Commun., 9, 2197, doi: 10.1038/s41467 018 04564 3.

tiation, Nat. Struct. Mol. Biol., 24, 453 460, doi: 10.1038/

176. Yip, M. C. J., Keszei, A. F. A., Feng, Q., Chu, V.,

nsmb.3396.

McKenna, M. J., and Shao, S. (2019) Mechanism for

161. Mancera Martinez, E., Brito Querido, J., Valasek, L. S.,

recycling tRNAs on stalled ribosomes, Nat. Struct. Mol.

Simonetti, A., and Hashem, Y. (2017) ABCE1: a special

Biol., 26, 343 349, doi: 10.1038/s41594 019 0211 4.

factor that orchestrates translation at the crossroad

177. Kuroha, K., Zinoviev, A., Hellen, C. U. T., and Pestova,

between recycling and initiation, RNA Biol., 14, 1279

T. V. (2018) Release of ubiquitinated and non ubiquitinat

1285, doi: 10.1080/15476286.2016.1269993.

ed nascent chains from stalled mammalian ribosomal com

162. Kratzat, H., Mackens Kiani, T., Ameismeier, M.,

plexes by ANKZF1 and Ptrh1, Mol. Cell, 72,

286

Potocnjak, M., Cheng, J., et al. (2021) A structural inven

302.e288, doi: 10.1016/j.molcel.2018.08.022.

tory of native ribosomal ABCE1 43S pre initiation com

178. Yip, M. C. J., Savickas, S., Gygi, S. P., and Shao, S. (2020)

plexes, EMBO J., 40, e105179, doi: 10.15252/embj.

ELAC1 repairs tRNAs cleaved during ribosome associated

2020105179.

quality control, Cell Rep.,

30,

21062114.e2105,

163. Hilal, T., Yamamoto, H., Loerke, J., Burger, J., Mielke, T.,

doi: 10.1016/j.celrep.2020.01.082.

and Spahn, C. M. (2016) Structural insights into ribosomal

179. Defenouillere, Q., Yao, Y., Mouaikel, J., Namane, A.,

rescue by Dom34 and Hbs1 at near atomic resolution,

Galopier, A., et al. (2013) Cdc48 associated complex

Nat. Commun., 7, 13521, doi: 10.1038/ncomms13521.

bound to 60S particles is required for the clearance of aber

164. Becker, T., Franckenberg, S., Wickles, S., Shoemaker,

rant translation products, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110,

C. J., Anger, A. M., et al. (2012) Structural basis of highly

5046 5051, doi: 10.1073/pnas.1221724110.

conserved ribosome recycling in eukaryotes and archaea,

180. Verma, R., Oania, R. S., Kolawa, N. J., and Deshaies, R. J.

Nature, 482, 501 506, doi: 10.1038/nature10829.

(2013) Cdc48/p97 promotes degradation of aberrant

165. Su, T., Izawa, T., Thoms, M., Yamashita, Y., Cheng, J.,

nascent polypeptides bound to the ribosome, Elife, 2,

et al. (2019) Structure and function of Vms1 and Arb1 in

e00308, doi: 10.7554/eLife.00308.

RQC and mitochondrial proteome homeostasis, Nature,

181. Brandman, O., Stewart Ornstein, J., Wong, D.,

570, 538 542, doi: 10.1038/s41586 019 1307 z.

Larson, A., Williams, C. C., et al. (2012) A ribosome

166. Inada, T. (2020) Quality controls induced by aberrant

bound quality control complex triggers degradation of

translation, Nucleic Acids Res.,

48,

10841096,

nascent peptides and signals translation stress, Cell, 151,

doi: 10.1093/nar/gkz1201.

1042 1054, doi: 10.1016/j.cell.2012.10.044.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 9 2021