Molecular Model Ribosom

8/4/2019 Molecular Model Ribosom

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P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USAV o l . 8 1 , p p . 5 7 9 7 - 5 8 0 1 , S e p t e m b e r 1 9 8 4G e n e t i c s

M o l e c u l a r m o d e l o f r i b o s o m e f r a m e s h i f t i n g( p r o t e i n s y n t h e s i s / t r a n s l o c a t i o n e r r o r s / c o d o n - a n t i c o d o n i n t e r a c t i o n / s h i f t y " r a t c h e t s " )

ROBERT B . W E I S S *D e p a r t m e n t o f G e n e t i c s , U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n , S e a t t l e , WA 9 8 1 9 5C o m m u n i c a t e d b y S y d n e y B r e n n e r , May 1 6 , 1 9 8 4ABSTRACT N o r m a l t R N A s c a n c a u s e t w o - a n d f o u r - b a s et r a n s l o c a t i o n e r r o r s b y m i s t r a n s l a t i n g c e r t a i n n o n c o g n a t ec o d o n s . S e v e r a l c a s e s h a v e b e e n r e p o r t e d t h a t r e v e a l t h e i d e n -t i t i e s o f t h e f r a m e s h i f t - p r o v o k i n g t R N A s - i . e . , t h e s h i f t ytRNAs-and t h e mR N A s e q u e n c e e n c o m p a s s i n g t h e s i t e o ff r a m e s h i f t i n g - i . e . , t h e s h i f t y c o d o n s . H e r e , a s t r i k i n g u n i -f o r m i t y b e t w e e n t h e a n t i c o d o n l o o p s o f t h e s h i f t y t R N A s a n dt h e i r s h i f t y c o d o n s i s d e s c r i b e d . S t a b l e " o f f s e t " a n t i -c o d o n - c o d o n p a i r s a r e p o s t u l a t e d f o r e a c h o f t h e s h i f t yt R N A - s h i f t y c o d o n c o m b i n a t i o n s . T h i s o f f s e t a n t i c o d o n c o d o np a i r l e a d s t o t w o - a n d f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n s w h e n v i e w e d i nt e r m s o f t h e r e c i p r o c a t i n g r a t c h e t m e c h a n i s m o f t r a n s l o c a t i o n .An a p p r e c i a t i o n o f t h e m o l e c u l a r m e c h a n i s m s o f t r a n s l o c a -t i o n a n d r e a d i n g f r a me m a i n te n a n c e i s f u n d a m e n t a l f o r t h eu n d e r s ta n di n g o f p r o t e i n s y n t h e s i s . M a i n t e n a n c e o f t h ep r o p e r r e a d i n g f r a m e i s e s s e n t i a l l y a p r o b l e m o f d e f i n i n g a n dc o n t r o l l i n g t h e p a t h o f t h e mRNA i n r e l a t i o n t o f i x e d s i t e s o nt h e r i b o s o m e . P r e c i s e t r i p l e t m o v e m e n t o f t h e mRNA i sc o o r d i n a t e d t h r o u g h t h e c o d o n - a n t i c o d o n m a t c h . T h e c o n -f o r ma t i o n o f t h e a n t i c o d o n l o o p m u s t i n f l u e n c e t h e p o s i t i o no f t h e mRNA, a s c h a n g e s i n t h e l o o p ' s c o n f o r m a t i o n w i l ln e c e s s a r i l y move t h e mRNA r e l a t i v e t o t R N A b i n d i n g s i t e sv i a t h e f i x e d c o d o n - a n t i c o d o n m a t c h . T h e r e f o r e , t h e t o p o -l o g i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a n t i c o d o n l o o p a n d t h e b o d yo f t h e t R NA m u s t b e o f p a r a m o u n t i m p o r t a n c e f o r t h e s t r i c tm a i n t e n a n c e o f r e a d i n g f r a m e .M o s t i n s i g h t s i n t o t h e w o r k i n g o f t h e t r a n s l o c a t i o n p r o c e s scome f r o m t h e s t u d y o f a b n o r m a l n o n t r i p l e t m o v e m e n t - i . e . ,e x t r a g e n i c f r a m e s h i f t s u p p r e s s i o n . T h e b e s t - c h a r a c t e r i z e df r a m e s h i f t s u p p r e s s o r s a r e t R N A m u t a n t s t h a t t r a n s l o c a t ef o u r r a t h e r t h a n t h r e e b a s e s a n d c o n t a i n a n e x t r a n u c l e o t i d ei n t h e a n t i c o d o n l o o p ( 1 ) . More p u z z l i n g i s t h e a c t i o n o fn o r m a l t R NA i n c a u s i n g n o n t r i p l e t m o v e m e n t . F r a m e s h i f t -i n g b y n o r m a l t R N A i s r e s p o n s i b l e f o r t h e l e a k y p h e n o t y p eo f many f r a m e s h i f t m u t a n t s ( 2 ) , a s s h o w n b y t h e f a c t t h a t t h el e v e l o f f r a m e s h i f t i n g c a n b e i n c r e a s e d o r d e c r e a s e d b ys p e c i f i c b i a s e s i n t h e r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n s o f a m i n o a c y l -tRNA p o o l s ( 3 - 6 ) .T h e i n q u i r y i n t o t h i s p h e n o m e n o n h a s a d v a n c e d f a r e n o u g ht o p r o v i d e s e v e r a l c a s e s i n w h i c h b o t h t h e t R N A t h a t p r o -m o t e s f r a m e s h i f t i n g ( h e r e t e r m e d " s h i f t y t R N A " ) a n d t h e

s i t e a t w h i c h i t p r o m o t e s n o n t r i p l e t movement ( t e r m e d" s h i f t y c o d o n " ) h a v e b e e n i d e n t i f i e d . N o common t h r e a dh a s a s y e t e m e r g e d t o e x p l a i n why t h e s e n o r m a l tRNAsd i s r u p t t h e r e a d i n g f r a m e a t t h e i r p a r t i c u l a r s h i f t y s e q u e n c e s .H e r e , I p r o p o s e a s i m p l e b a s e - p a i r i n g s c h e m e b e t w e e n t h es h i f t y c o d o n a n d a n " o f f s e t " a n t i c o d o n i n t h e a n t i c o d o n l o o po f e a c h s h i f t y t R N A . A l l k n o w n c a s e s a r e c a p a b l e o f f o r m i n gt h i s o f f s e t a n t i c o d o n - c o d o n p a i r i n g . T h e i n t e r a c t i o n d e r i v e si t s s t a b i l i t y f r o m c o n v e n t i o n a l b a s e p a i r i n g a n d b a s e s t a c k -i n g . W h e n i n t e r p r e t e d i n t h e l i g h t o f W o e s e ' s m o d e l o ft r a n s l o c a t i o n v i a a c o n f o r m a t i o n a l t r a n s i t i o n i n t h e a n t i c o d o n

l o o p ( 7 ) , t h i s o f f s e t p a i r i n g l e a d s t o t r a n s l o c a t i o n b y e i t h e rt w o o r f o u r b a s e s , a r e s u l t e m b o d i e d i n t h e o b s e r v a t i o n o fs h i f t y c o d o n s a n d s h i f t y t R N A s .E v i d e n c e f o r R e a d i n g F r a m e E r r o r sT w o a p p r o a c h e s h a v e b e e n u s e d i n t r a c k i n g down s h i f t yc o d o n s a n d s h i f t y t R N A s : f r a m e s h i f t s u p p r e s s i o n i n v i v o b ya m i n o a c y l - t R N A l i m i t a t i o n ( 5 ) a n d e n h a n c e m e n t o f f r a me -s h i f t e d p o l y p e p t i d e s y n t h e s i s i n v i t r o b y a d d i t i o n o f p u r i f i e dt R N A ( 6 ) . T h e e s s e n c e o f b o t h a p p r o a c h e s i s t o i n c r e a s e t h el e v e l o f f r a m e s h i f t i n g a t g i v e n c o d o n s b y a l t e r i n g t h e r a t i o o fc o m p e t i n g a m i n o a c y l - t R N A s , e i t h e r b y d e p l e t i n g t h e l e v e l o ft h e c o g n a t e a m i n o a c y l - t R N A t h r o u g h a m i n o a c i d l i m i t a t i o no r b y e l e v a t i n g t h e l e v e l o f t h e n o n c o g n a t e ( i . e . , f r a m e s h i f t -i n g ) a m i n o a c y l - t R N A b y d i r e c t a d d i t i o n . T h e f o r m e r a p -p r o a c h d e f i n e s s h i f t y c o d o n s b y a s s o c i a t i n g c o d o n s s p e c i -f y i n g a l i m i t i n g a m i n o a c y l - t R N A w i t h t h e p o s i t i o n o f t h er i b o s o m e f r a m e s h i f t , w h i l e i d e n t i f y i n g t h e s h i f t y t R N A b yc o n t r o l l e d d o u b l e a m i n o a c i d l i m i t a t i o n ( 5 ) . T h e l a t t e r a p -p r o a c h i d e n t i f i e s s h i f t y tRNAs i n i t i a l l y a n d t h e n i m p l i c a t e ss h i f t y c o d o n s b y d i s c o v e r i n g a s e c o n d t R N A s p e c i e s t h a ts p e c i f i c a l l y e l i m i n a t e s t h e e n h a n c e d f r a m e s h i f t i n g b y c o m -p e t i t i o n ; t h e c o d o n s p e c i f i c i t y o f t h e c o m p e t i n g t R N A t h u si d e n t i f i e s t h e s h i f t y c o d o n ( 6 ) .T a b l e 1 l i s t s a l l c a s e s i n w h i c h b o t h t h e s h i f t y c o d o n a n d

t h e s h i f t y t R N A h a v e b e e n i d e n t i f i e d b y t h e s e m e a n s . T h ep u z z l e i s t o d i s c e r n a common r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s h i f t yc o d o n a n d s h i f t y tRNA. One p o s s i b i l i t y i s t h a t t h e s h i f t yt R N A s i m p l y r e a d s i t s n o r m a l c o d o n i n a n i n c o r r e c t r e a d i n gf r a m e o v e r l a p p i n g t h e s h i f t y c o d o n . A t k i n s e t a l . ( 6 ) h a v ep o i n t e d o u t t h a t t h i s m i g h t e x p l a i n c a s e B , f o r t h e MS2 c o a tg e n e i n c l u d e s t h e s e q u e n c e GCA GCA i n t h e r e g i o n w h e r et h e f r a m e s h i f t m u s t o c c u r ; h e r e t h e s h i f t y t RNA S e r m i g h tr e a d i t s AGC c o d o n ( i t a l i c i z e d a b o v e ) i n t h e ( + ) r e a d i n gf r a m e , g i v i n g r i s e t o t h e o b s e r v e d s h i f t . A s i m i l a r e x p l a n a t i o nm i g h t a c c o u n t f o r c a s e D , a s t h e s e q u e n c e C UCA o c c u r sn e a r b y .H o w e v e r , t h i s e x p l a n a t i o n c a n n o t a c c o u n t f o r c a s e s A a n dC . I n c a s e A , t h e c o d o n o v e r l a p p i n g t h e i d e n t i f i e d s h i f t yc o d o n i n t h e a p p r o p r i a t e f r a m e i s GGC, w h i c h c o d e s f o rg l y c i n e , a n d t h e d a t a s p e c i f i c a l l y i m p l i c a t e a t R N A L e u a n de l i m i n a t e a n y t R N A G I Y a s t h e s h i f t y t R N A ( 5 ) . I n c a s e C , t h er e g i o n s o f t h e s y n t h e t a s e a n d c o a t g e n e s i n w h i c h t h e f r a m e -s h i f t o c c u r c o n t a i n n o o v e r l a p s o f CCU/C a n d ACU/C i n t h ea p p r o p r i a t e f r a m e s .I n b o t h c a s e A a n d c a s e C , a d i r e c t m a t c h b e t w e e n t h es h i f t y c o d o n a n d t h e s h i f t y a n t i c o d o n c o u l d b e c o m p l e m e n -t a r y i n t w o o f t h r e e p o s i t i o n s , l e a d i n g b o t h A t k i n s e t a l . ( 6 )a n d W e i s s a n d G a l l a n t ( 5 ) t o s p e c u l a t e t h a t m i s m a t c h a t oneo f t h r e e p o s i t i o n s m i g h t d i s t o r t t h e t r a n s l o c a t i o n p r o c e s s . Ane x p l i c i t m o l e c u l a r m e c h a n i s m f o r s u c h a d i s t o r t i o n i s n o tc l e a r . M o r e o v e r , c a s e s B a n d D a r e n o t c o m p a t i b l e w i t h a n y* P r e s e n t a d d r e s s : C o l d S p r i n g Harbor L a b o r a t o r y , P . O . B o x 1 0 0 ,C o l d S p r i n g H a r b o r , NY 1 1 7 2 4 .

T h e p u b l i c a t i o n c o s t s o f t h i s a r t i c l e w e r e d e f r a y e d i n p a r t b y p a g e c h a r g ep a y m e n t . T h i s a r t i c l e m u s t t h e r e f o r e b e h e r e b y m a r k e d " a d v e r t i s e m e n t "i n a c c o r d a n c e w i t h 1 8 U . S . C . 1 7 3 4 s o l e l y t o i n d i c a t e t h i s f a c t .5 7 9 7

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P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 8 1 ( 1 9 8 4 )T a b l e 1 . C a s e s o f f r a m e s h i f t i n g b y n o n c o g n a t e tRNAS

S h i f t y B a s e sC a s e c o d o n S h i f t y t R NA t r a n s l o c a t e d G e n e R e f .A UGG t R N A L C U ( C U N , UUA/G) 4 T 4 r j 1 B 5B GCA t R N A S e r (AGU/C) 2 MS2 c o a t 6C CCC/U t R N A m h ( A C U / C ) 2 MS2 s y n t h e t a s e , 6MS2 c o a t *D UCA t R N A L e U ( C U U / C ) 2 MS2 c o a t ** J . M u r p h y , J . A t k i n s , a n d J . G a l l a n t , p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n .

s u c h m e c h a n i s m , a s t h e s h i f t y c o d o n s a n d s h i f t y a n t i c o d o n sa r e n o t c o m p l e m e n t a r y a t a n y p o s i t i o n .T h u s , n e i t h e r o f t h e s e m o d e l s p r o v i d e s a u n i f i e d a c c o u n to f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n n o n c o g n a t e b i n d i n g o f a s h i f t yt R N A a n d i n c o r r e c t t r a n s l o c a t i o n . T h e m o d e l p r o p o s e d h e r es t a r t s f r o m a s t r i k i n g u n i f o r m i t y a m o n g t h e f o u r c a s e s c i t e di n T a b l e 1 : t h e f i r s t b a s e o f t h e s h i f t y c o d o n i s i d e n t i c a l t o t h es e c o n d b a s e n o r m a l l y r e c o g n i z e d b y t h e s h i f t y t R N A . T h ec h a n c e t h a t t h i s i d e n t i t y w o u l d o c c u r a t r a n d o m i s ( 1 / 4 ) 4 =0 . 0 0 3 9 , s t r o n g l y s u g g e s t i n g t h a t i t i s n o c o i n c i d e n c e .A l i g n i n g t h e a n t i c o d o n l o o p s w i t h t h e s h i f t y c o d o n s r e -v e a l s a f u r t h e r u n i f o r m i t y ( F i g . 1 ) . I n e a c h c a s e , t h e s h i f t yc o d o n c a n f o r m t h r e e c o m p l e m e n t a r y b a s e p a i r s ( o r n e a rc o m p l e m e n t a r y i n t h e w o b b l e p o s i t i o n ) w i t h n u c l e o t i d e s3 3 - 3 5 o f t h e s h i f t y t R NA ( t h e n o r m a l a n t i c o d o n c o m p r i s e sn u c l e o t i d e s 3 4 - 3 6 ) . I n o t h e r w o r d s , t h e s h i f t y tRNAs e a c hp o s s e s s a t r i p l e t o f f s e t f r o m t h e n o r m a l a n t i c o d o n b y o n eb a s e t o w a r d t h e 5 ' s i d e , w h i c h m i g h t p a i r w i t h i t s p a r t i c u l a rs h i f t y c o d o n . T h e " u n i v e r s a l " U 3 3 , w h i c h p r e c e d e s t h en o r m a l a n t i c o d o n , b e c o m e s t h e s h i f t y a n t i c o d o n ' s w o b b l eb a s e . T h i s w i l l b e t e r m e d " U 3 3 g r a p p l e " p a i r i n g , t o e m p h a -s i z e t h e i n v o l v e m e n t o f t h i s n u c l e o t i d e . T h e a v a i l a b i l i t y o fU 3 3 f o r h y d r o g e n b o n d i n g h a s b e e n a b u n d a n t l y d e m o n -s t r a t e d i n o l i g o n u c l e o t i d e b i n d i n g s t u d i e s ( 8 - 1 0 ) .T h i s s c h e m e ( F i g . 1 ) i n v o l v e s a p y r i m i d i n e - p y r i m i d i n ew o b b l e p a i r i n g i n c a s e C . P r e c e d e n t s f o r s u c h a c o n f i g u r a t i o ne x i s t . U n m o d i f i e d U i n t h e w o b b l e p o s i t i o n o f m i t o c h o n d r i a ltRNAs c a n r e c o g n i z e a l l f o u r b a s e s i n t h e t h i r d c o d o n p o -s i t i o n ( 1 1 ) , y e a s t t R N A L e U ( a n t i c o d o n UAG) c a n t r a n s l a t ea l l s i x l e u c i n e c o d o n s i n v i t r o ( 1 2 ) , a n d E s c h e r i c h i a c o l it R N A L e u ( a n t i c o d o n CAG) c a n t r a n s l a t e CUU/C l e u c i n ec o d o n s i n v i t r o ( 1 3 ) . I n f a c t , C r i c k , i n d e f i n i n g w o b b l e p a i r -i n g , n o t e d t h a t U U a n d U ' C w o b b l e p a i r s m i g h t b e f e a s i b l e( 1 4 ) .U n i f i e d M o d e l o f F r a m e s h i f t i n gU 3 3 g r a p p l e p a i r i n g may l e a d t o t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n i f o n eb e g i n s w i t h t h e c o n v e n t i o n a l t e n e t t h a t t h e A s i t e p e p t i d y l -t R N A t r a n s l o c a t e s b y p h y s i c a l l y m o v i n g t o t h e P s i t e . I f t h er i b o s o m e c o n s t r a i n s t h e p o s i t i o n o f t h e a n t i c o d o n l o o p i ne a c h s i t e s u c h t h a t t h e p o s i t i o n o f t h e a n t i c o d o n i s r i g i d l yd e f i n e d ( h e n c e , t h e mRNA moves b y b e i n g c a r r i e d a l o n g b y

A1 ) U G G

2 ) G A C U

3 ) C U G

BG C A

U C G U

A G C( U )

C

C C C

U G G U

A C C( U )

DUC A

G A G U

U( U )

F I G . 1 . O f f s e t p a i r i n g . L e t t e r s A-D c o r r e s p o n d t o t h e f o u r cas-es l i s t e d i n T a b l e 1 . L i n e 1 , t h e s h i f t y c o d o n s . L i n e 2 , n u c l e o t i d e s3 6 , 3 5 , 3 4 , a n d 3 3 ( i n t h a t o r d e r ) o f e a c h s h i f t y t R N A , s h o w n p a i r e dw i t h t h e s h i f t y c o d o n a b o v e i n t h e p r o p o s e d o f f s e t f a s h i o n . L i n e 3 ,t h e c o d o n s n o r m a l l y r e a d b y e a c h s h i f t y t R N A , s h o w n p a i r e d i n t h en o r m a l f a s h i o n w i t h t h e i r c o r r e s p o n d i n g a n t i c o d o n s a b o v e .

t h e c o d o n - a n t i c o d o n m a t c h ) , t h e n t h e o f f s e t p a i r i n g n a t u r a l l yr e s u l t s i n a t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n . F o r i n s t a n c e , i f t h e n o r -m a l a n t i c o d o n a s s u m e s i t s u s u a l p o s i t i o n i n t h e P s i t e a n dm a i n t a i n s b a s e p a i r s w i t h t h e s h i f t y c o d o n o n l y w i t h n u c l e -o t i d e s 3 4 a n d 3 5 , s e v e r i n g t h e U 3 3 b a s e p a i r , t h e n t h ep l a c e m e n t o f t h e t R N A i s s u c h t h a t i t h a s moved t w o n u c l e -o t i d e s i n s t e a d o f t h r e e .H o w a f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n w o u l d r e s u l t f r o m U 3 3g r a p p l e p a i r i n g i s n o t o b v i o u s , m a i n l y d u e t o t h e l a c k o fd e f i n i t i o n i n t h e A-P s i t e m o d e l o f t r a n s l o c a t i o n . P h y s i c a lm o v e m e n t o f tRNAs f r o m o n e s i t e t o a n o t h e r h a s n o t b e e nd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l y ; i t i s o n l y a f o r m a l i n t e r p r e -t a t i o n o f t h e e v i d e n c e f o r A a n d P s t a t e s o f t h e t R N A b i n d i n gs i t e s . T h e l a c k o f a d e f i n e d a n t i c o d o n l o o p c o n f o r m a t i o n i s ac r u c i a l d r a w b a c k i n t h e A-P s i t e m o d e l , g i v e n t h e i m p o r -t a n c e o f a n t i c o d o n l o o p c o n f o r m a t i o n f o r t h e m a i n t e n a n c e o fr e a d i n g f r a m e .An a l t e r n a t i v e v i e w o f t r a n s l o c a t i o n e x i s t s , w h i c h d e p e n d so n a d e f i n e d a l l o s t e r i c t r a n s i t i o n i n t h e a n t i c o d o n l o o p . T h i st r a n s i t i o n , t e r m e d t h e " r e c i p r o c a t i n g r a t c h e t " b y C . W o e s ei n 1 9 7 0 ( 7 ) , m o v e s t h e mRNA w i t h o u t p h y s i c a l l y d i s p l a c i n gt h e t R N A f r o m a n A t o P s i t e .T h e r a t c h e t m o d e l i s b a s e d o n F u l l e r a n d H o d g s o n ' s s t r i c tm o l e c u l a r m o d e l b u i l d i n g o f t h e a n t i c o d o n s t e m a n d l o o p ,w h i c h a r r i v e d a t a p r o ba b l e c o n f o r m a t i o n t h a t m a x i m i z e s t h ep o t e n t i a l s t a c k i n g i n t e r a c t i o n s ( 1 5 ) . I n t h e i r m o d e l , t h e f i v eb a s e s o n t h e 3 ' s i d e s o f t h e l o o p ( n u c l e o t i d e s 3 4 - 3 8 ) s t a c k o nt h e h e l i c a l a n t i c o d o n s t e m , c o n t i n u i n g t h e h e l i c a l p a t h i n as i n g l e - s t r a n d e d e x t e n s i o n ( 3 ' - ) 5 ' c h a i n e x t e n s i o n = FHc o n f o r m a t i o n ) . T h e y a r g u e d t h a t t h e FH c o n f o r m a t i o n w o u l db e f a v o r ed o v e r t h e 5 ' -* 3 ' c h a i n e x t e n s i o n ( = h f c o n f o r -m a t i o n ) b e c a u s e p u r i n e s s t a c k b e t t e r t h a n p y r i m i d i n e s , a n di n t h e FH c o n f o r m a t i o n t h e t w o u n s t a c k e d l o o p n u c l e o t i d e s( 3 2 a n d 3 3 ) s p a n t h e m i n o r g r o o v e , w h e r e a s i n t h e h f c o n -f o r m a t i o n t h e t w o u n s t a c k e d n u c l e o t i d e s ( 3 7 a n d 3 8 ) w o u l ds p a n t h e m a j o r g r o o v e .W o e s e p r o v i d e d t h e k e e n o b s e r v a t i o n t h a t a n a l l o s t e r i c f l i pf r o m h f t o FH w h i l e t h e a n t i c o d o n i s p a i r e d t o a c o d o n w o u l di n v e r t t h e p a i r w i t h r e s p e c t t o t h e h e l i c a l a x i s o f t h e a n t i -c o d o n s t e m . I f t h e h f - + FH a l l o s t e r i c f l i p i s d o n e s u c c e s -s i v e l y f r o m t w o f i x e d s t a t e s , t h i s w o u l d c o n s t i t u t e a m e c h a -n i s m f o r mRNA movement a n d r e a d i n g f r a m e m a i n t e n a n c e( 7 ) .When t h e U 3 3 g r a p p l e p a i r i n g s c h e m e o f s h i f t y a n t i c o d o n sa n d s h i f t y c o d o n s i s a p p l i e d t o t h e r a t c h e t m o d e l , a u n i f i e de x p l a n a t i o n o f f r a m e s h i f t i n g e m e r g e s . T h e o f f s e t p a i r i n g i sa c c o m m o d a t e d v e r y s i m p l y b y p a i r i n g t h e s h i f t y c o d o n 1b a s e - p a i r t u r n u p t h e s t a c k e d l o o p i n t h e h f c o n f o r m a t i o n( F i g s . 2 a n d 3 ) . I n f a c t , F u l l e r a n d H o d g s o n ( 1 5 ) s p e c u l a t e dt h a t m i s t a k e s i n t r a n s l a t i o n m i g h t o c c u r a s a r e s u l t o f j u s ts u c h o f f s e t p a i r i n g , s i n c e i t s o c c u r r e n c e c o ul d n o t b e r u l e do u t s t e r e o c h e m i c a l l y w i t h s p a c e - f i l l i n g m o d e l s . When t h el o o p u n d e r g o e s t h e h f -> FH t r a n s i t i o n w i t h t h e c o d o n -a n t i c o d o n o f f s e t t o t h e 5 ' s i d e , t h e g e o m e t r y o f t h e f l i p i s s u c ht h a t t w o a l t e r n a t i v e FH s t a t e s a r e p o s s i b l e . One c o n f o r m a -t i o n r e s u l t s i n a t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n a n d t h e o t h e r i n af o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n ( F i g s . 2 a n d 3 ) ; n e i t h e r o f t h e s ec o n f o r m a t i o n s n e c e s s a r i l y d i s r u p t s t h e a n t i c o d o n s t e m .

5 7 9 8 G e n e t i c s : W e i s s

8/4/2019 Molecular Model Ribosom

3/5

P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 8 1 ( 1 9 8 4 ) 5 7 9 9

i iFH

3 - B a s e 4 - B a s e 2 - B a s eF I G . 2 . T h e r e c i p r o c a t i n g r a t c h e t a n d U 3 3 g r a p p l e p a i r i n g . ( a ) T h r e e - b a s e t r a n s l o c a t i o n . T h e a n t i c o d o n s t e m a n d l o o p o f a n A s t a t e t R NA

( = h f c o n f o r m a t i o n ) i s s h o w n b a s e - p a i r e d w i t h t h e mRNA ( c o d o n - 5 ' - A B C - 3 ' ) . T h e a r r o w i n d i c a t e s t r a n s l o c a t i o n v i a h f - FH f l i p . N o t e t h a tt h e t r a n s i t i o n i s a c c o m p l i s h e d s i m p l y b y r o t a t i n g t h e a n t i c o d o n ' s b a c k b o n e t h r o u g h t h e i n t e r i o r o f t h e l o o p w h i l e t h e c o d o n - a n t i c o d o n h e l i xr o t a t e s u n d i s t u r b e d a r o u n d t h e o u t s i d e . T h e c o d o n i n FH o c c u p i e s p r e c i s e l y t h e s a m e p o s i t i o n t h a t t h e a n t i c o d o n o c c u p i e s i n h f a n d v i c ev e r s a ( 7 ) . T h e s e d r a w i n g s a r e b a s e d o n F u l l e r a n d H o d g s o n ' s m o l e c u l a r m o d e l o f t h e a n t i c o d o n s t e m a n d l o o p ( 1 5 ) . ( b ) T w o - a n d f o u r - b a s et r a n s l o c a t i o n . U 3 3 g r a p p l e p a i r i n g i s s h o w n i n t h e h f c o n f o r m a t i o n . T h e a r r o w s i n d i c a t e t w o a l t e r n a t i v e h f FH f l i p s . T h e c o a x i a l a l i g n m e n to f t h e c o d o n - a n t i c o d o n h e l i x w i t h t h e a n t i c o d o n s t e m i s p r e s e r v e d i n b o t h FH c o n f o r m a t i o n s , t h u s m a x i m i z i n g t h e b a s e - s t a c k i n g p o t e n t i a l .I n t h e f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n , c o d o n b a s e s B C o c c u p y t h e s a m e p o s i t i o n a s AB i n t h e n o r m a l FH ( = 3 - b a s e ) c o n f o r m a t i o n , a n d i n t h e t w o -b a s e t r a n s l o c a t i o n , c o d o n b a s e s AB o c c u p y t h e s a m e p o s i t i o n a s B C i n t h e n o r m a l FH c o n f o r m a t i o n .T h e d i r e c t i o n o f t h e f r a m e s h i f t d e p e n d s o n l y o n w h e t h e r i ti s e n e r g e t i c a l l y m o r e f a v o r a b l e t o s t a c k t h r e e b a s e s , u n s t a c ko n e b a s e a n d b r e a k t h e U 3 3 - 3 ' c o d o n b a s e h y d r o g e n b o n d s( = t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) , o r s t a c k o n e b a s e a n d u n s t a c ko n e b a s e ( = f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) . T h e s e c a n b e c o m -p a r e d w i t h t h e n o r m a l h f - F H t r a n s i t i o n : s t a c k t w o b a s e s a n du n s t a c k t w o b a s e s ( = t h r e e - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) . From t h i so f f s e t p a i r i n g , s t a c k i n g t h e a n t i c o d o n a n d two 3 ' n u c l e o t i d e si n t h e FH c o n f o r m a t i o n w h i l e m a i n t a i n i n g t h e U 3 3 - 3 ' c o d o nb a s e p a i r ( = t h r e e - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) i s n o t p o s s i b l e w i t h o u td i s r u p t i n g t h e a n t i c o d o n s t e m . T h e r e f o r e , h f - - FH f l i p p i n gf r o m a n o f f s e t a n t i c o d o n - c o d o n p a i r s h o u l d r e s u l t p r e d o m i -n a n t l y i n e i t h e r a t w o - o r f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n .An a d v a n t a g e o f t h e r a t c h e t m e c h a n i s m i s t h e p r e c i s ed e f i n i t i o n g i v e n t o t h e p a t h o f t h e mRNA. F r a m e s h i f t i n g v i ah f - FH t r a n s i t i o n o f a U 3 3 g r a p p l e p a i r i n g r e s u l t s f r o m j u s ta s i n g l e b a s e i n c r e m e n t ( = f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) o r d e c -r e m e n t ( = t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) o f t h e mRNA's t r a n s l o -c a t i o n a l o n g i t s f i x e d p a t h . A f t e r a f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n ,t h e b a s e 3 ' t o t h e z e r o f r a m e t r i p l e t ( = t h e f o u r t h b a s e )a s s u m e s t h e p o s i t i o n t h a t t h e P s t a t e c o d o n ' s t h i r d b a s ew o u l d n o r m a l ly o c c u p y . T h i s f o u r t h b a s e w o u l d b e s t a c k e do n t h e P s t a t e c o d o n - a n t i c o d o n h e l i x , b u t u n p a i r e d . A l -

t h o u g h u n p a i r e d , i t m u s t s t i l l b e u n a v a i l a b l e f o r p a i r i n g w i t ht h e i n c o m i n g A s t a t e a n t i c o d o n . E i t h e r t h i s may r e s u l t f r o mr i g i d l y f i x e d t R N A b i n d i n g s i t e s o r i t may i n d i c a t e t h e e x -i s t e n c e o f a p a w l f o r t h e r a t c h e t , p e r h a p s i n t h e f o r m o f a k i n ki n t h e mRNA b e t w e e n a d j a c e n t A a n d P s t a t e c o d o n s . T h ef o u r t h b a s e i n a f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n may b e , t h e r e f o r e ,b e y o n d t h e p a w l .C o n c l u s i o n sT h e U 3 3 g r a p p l e p a i r i n g s c h e m e e s t a b l i s h e s a g e n e r a l r u l e f o rp r e d i c t i n g t h e i d e n t i t y o f a s h i f t y t R N A f r o m k n o w l e d g e o ft h e s h i f t y c o d o n o r v i c e v e r s a : t h e f i r s t a n d s e c o n d b a s e s o ft h e c o d o n a r e i d e n t i c a l t o t h e s e c o n d a n d t h i r d b a s e s o f t h ec o d o n t h e s h i f t y t R N A n o r m a l l y r e a d s ( F i g . 1 ) . I t i s w o r t hn o t i n g t h a t t h e r u l e r e l a t i n g s h i f t y tRNAs t o s h i f t y c o d o n ss u g g e s t s t h a t tRNAs t h a t r e a d monotonous c o d o n s ( U U U ,AAA, e t c . ) may b e e s p e c i a l l y s h i f t y a t t h e i r c o g n a t e p o s i -t i o n s b y p r e c i s e l y t h e same m e c h a n i s m , b e c a u s e t h e s e a r ec o d o n s i n w h i c h t h e f i r s t a n d s e c o n d p o s i t i o n s a r e i d e n t i c a lt o t h e s e c o n d a n d t h i r d p o s i t i o n s . R u n s o f U h a v e b e e ni m p l i c a t e d a s h o t s p o t s f o r f r a m e s h i f t i n g i n t h e S a l m o n e l l at r p E g e n e ( 1 8 ) , t h e y e a s t m i t o c h r o n d r i a l o x i - 1 g e n e ( 1 9 ) , a n dg e n e 1 0 o f p h a g e T 7 ( 2 0 ) .

G e n e t i c s : W e i s s

8/4/2019 Molecular Model Ribosom

4/5

P r o c . N a t l . Acad. S c i . USA 8 1 ( 1 9 8 4 )a b

3 '-39

/

5 ' 3 '3 1 r ' - 3932 I

/ 3 '' C. 4,. ' B mRNA

5A5 '

3 1- - - - 39

3 837363 534

5' a3 1 %

5 ' \A \

B3 -. 1C '3'

3 - ba s e

333435

3 ' 3 9

353433

/

3'/ C

5 '

4- baseF I G . 3 . S c h e m a t i c d i a g r a m o f t w o - or f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n v i a h f FH f l i p , f o r t h e l i n e a r f r a m e o f m i n d . ( a ) Th e a n t i c o d o n l o o p n u c l e -o t i d e s ( 3 2 - 3 8 ) a n d t h e b o t t o m b a s e p a i r o f t h e stem ( n u c l e o t i d e s 3 1 a n d 3 9 ) a r e i n d i c a t e d , w i t h t h e b a c k b o n e o f t h e s t a c k e d b a s e s drawn w i t hs o l i d l i n e s a n d t h e u n s t a c k e d b a s e s drawn w i t h d o t t e d l i n e s . T he h o r i z o n t a l o r i e n t a t i o n e m p h a s i z e s t h e b a s e - s t a c k i n g i n t e r a c t i o n . The a r r o wi n d i c a t e s t r a n s l o c a t i o n v i a h f -.FH f l i p . ( b ) The a l t e r n a t i v e FH c o n f o r m a t i o n s ( t w o or f o u r b a s e ) e m p h a s i z e t h e p r e c i s e d i s t a n c e t r a n s l o c a t -e d . T h i s d i s t a n c e i s g o v e r n e d b y t h e l e n g t h o f t h e 3 ' -. 5 ' s t a c k e d l o o p b a s e s a n d t h e p o s i t i o n o f t h e c o d o n - a n t i c o d o n p a i r w i t h i n t h i s s t a c k .C o m p r e s s i o n o f s t a c k ed h e l i c e s t o f i l l gaps l e f t b y b u l g i n g o u t o f n u c l e o t i d e s ( s e e n u c l e o t i d e s 3 7 a n d 3 8 , f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n ) h a s b e e nshown e x p e r i m e n t a l l y b y Lomant a n d F r e s c o ( 1 6 ) . The s t r a i g h t l i n e d i s t a n c e s s p a n n e d b y t h e backbone o f t h e u n s t a c k e d b a s e p a i r s a s s u m i n g

an o p t i m i z e d A - f o r m RNA h e l i x ar e 2 2 . 6 A ( h f , C - 3 c a r b o n o f n u c l e o t i d e 3 6 r i b o s e r i n g t o C - 5 c a r b o n o f n u c l e o t i de 3 9 r i b o s e r i n g ) , 1 5 . 3 A(FH n o r m a l a n d t w o - b a s e t r a n s l o c a t i o n , C - 5 c a r b o n o f n u c le o t i d e 3 4 r i b o s e r i n g t o C - 3 c a r b o n o f n u c l e o t i d e 3 1 r i bo s e r i n g ) , a n d 1 3 . 0 A ( F Hf o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n , C - 5 c a r b o n o f n u c l e o t i d e 3 3 r i b o s e r i n g t o C - 3 c a r b o n o f n u c l e o t i d e 3 1 r i b o s e r i n g ) . T h e d i s t a n c e s were c a l c u l a t e df r o m t h e o p t i m i z e d a t o m i c c o o r d i n a t e s o f A -D N A ( 1 7 ) .The cases l i s t e d i n T a b l e 1 make i t c l e a r t h a t e a c h p a r -t i c u l a r m a t c h o f s h i f t y c o d o n a n d s h i f t y t R N A i s b i a s e d i n t h ed i r e c t i o n o f e i t h e r t w o - b a s e or f o u r - b a s e t r a n s l o c a t i o n . T h er u l e s g o v e r n i n g t h e s e p r e f e r e n c e s may e n c o m p a s s n o t o n l yt h e c o d o n - a n t i c o d o n m a t c h i t s e l f b u t a l s o t h e f l a n k i n g l o o pa n d mRNA n u c l e o t i d e s . The i d e n t i f i c a t i o n o f a d d i t i o n a l s h i f t y

s eq ue n c e s a n d t h e i r c o u n t e r p a r t s h i f t y tRNAs may p e r m i tf o r m u l a t i o n o f t h e s e r u l e s . From t h e o v e r a l l p a t t e r n o f f r a me -s h i f t s u p p r e s s i o n b y a m i n o a c y l - t R N A l i m i t a t i o n a n d e n -h a n c e m e n t o f f r a m e s h i f t s y n t h e s i s b y t R N A e x c e s s i n v i t r o ,i t i s c l e a r t h a t n o t a l l c o d o n s a n d tRNAs r e l a t e d b y t h e o f f s e tp a i r i n g r u l e ar e e q u a l l y s h i f t y . T h e i m p l i c a t i o n i s t h a t t h e r ear e a d d i t i o n a l s t r u c t u r a l a s p e c t s o f s h i f t y mRNA s e q u e n c e sa n d s h i f t y tRNAs t h a t e n h a n c e o f f s e t p a i r i n g .I am e s p e c i a l l y g r a t e f u l t o P r o f . J o n a t h a n A . G a l l a n t , w h o s eg u i d i n g h a n d p l a c e d me on t h e t r a i l o f s h i f t y c o d o n s . A l s o , I g r a t e -f u l l y a c k n o w l e d g e D r . J a m e s P . M u r p h y f o r c r i t i c a l c o n v e r s a t i o n sa n d P r o f . B e n j a m i n D . H a l l f o r t i m e l y comments. T h i s r e s ea r c h wass u p p o r t e d b y G r a n t GM-13626 a n d T r a i n i n g G r a n t G M - 0 7 7 3 5 f r o m

t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e s o f H e a l t h a n d G r a n t M P - 2 7 9 f r o m t h e A m e r i -c an C a n c e r S o c i e t y .

1 . R o t h , J . R . ( 1 9 7 4 ) A n n u . R ev . G e n e t. 8 , 3 1 9 - 3 4 6 .2 . A t k i n s , J . F . , E l s e v i e r s , D . & G o r i n i , L . ( 1 9 7 2 ) P r o c . N a t i .A c a d . S c i . USA 6 9 , 1 1 9 2 - 1 1 9 5 .3 . K u r l a n d , C . G . ( 1 9 8 0 ) i n R i b o s o m e s : S t r u c t u r e , F u n c t i o n a n dG e n e t i c s , e d s . C h a m b l i s s , G . , C r a v e n , G . R . , D a v i s , J . , D a v i s ,K . , K a h a n , L . & N o m u r a , M. ( U n i v e r s i t y P a r k P r e s s , B a l t i -m o r e ) , pp . 5 9 7 - 6 1 4 .4 . G a l l a n t , J . & F o l e y , D . ( 1 9 8 0 ) i n R i b o s o m e s : S t r u c t u r e , F u n c -t i o n an d G e n e t i c s , e d s . C h a m b l i s s , B . , C r a v e n , G . R . , D a v i s ,J . , D a v i s , K . , K a h a n , L . & N o m u r a , M. ( U n i v e r s i t y P a r kP r e s s , B a l t i m o r e ) , pp . 6 1 5 - 6 3 8 .5 . W e i s s , R . & G a l l a n t , J . ( 1 9 8 3 ) N a t u r e ( L o n d o n ) 3 0 2 , 3 8 9 - 3 9 3 .6 . A t k i n s , J . F . , G e s t e l a n d , R . F . , R e i d , B . R . & A n d e r s o n , C . W.( 1 9 7 9 ) C e l l 1 8 , 1 1 1 9 - 1 1 3 1 .7 . W o e s e , C . ( 1 9 7 0 ) N a t u r e ( L o n d o n ) 2 2 6 , 8 1 7 - 8 2 0 .8 . P o n g s , O . , B a l d , R . & R e i n w a l d , E . ( 1 9 7 3 ) E u r . J . B i o c h e m . 3 2 ,

1 1 7 - 1 2 5 .9 . E i s i n g e r , J . & S p a h r , P . F . ( 1 9 7 3 ) J . M o l . B i o l . 7 3 , 1 3 1 - 1 3 7 .

3 1 132t3 3 1

tRNA 343536

5 '

3 1

A9C

h f

5 '3 1 1 s X

3 '1 39

3837 FH

5 ' 'A %B %

C3 '

363534

2- base

5 8 0 0 G e n e t i c s : W e i s s

-- I

8/4/2019 Molecular Model Ribosom

5/5

G e n e t i c s : W e i s s P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 8 1 ( 1 9 8 4 ) 5 8 0 11 0 . U h l e n b e c k , O . , B a l l e r , J . & D o t y , P . ( 1 9 7 0 ) N a t u r e ( L o n d o n )2 2 5 , 5 0 8 - 5 1 0 .1 1 . B o n i t z , S . G . , B e r l a n i , R . , C o r u z z i , G . , L i , M . , M a c i n o , G . ,N o b r e g a , F . G . , N o b r e g a , M . P . , T h a l e n f e l d , B . E . & T z a g o -l o f f , A . ( 1 9 8 0 ) P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 7 7 , 3 1 6 7 - 3 1 7 0 .1 2 . W e i s s e n b a c h , J . , D i r h e i m e r , G . , F a l c o f f , R . , S a n c e a u , J . &F a l c o f f , E . ( 1 9 7 7 ) FEBS L e t t . 8 2 , 7 1 - 7 6 .1 3 . G o l d m a n , E . & H a t f i e l d , G . W. ( 1 9 8 0 ) i n T r a n s f e r RNA: B i o -

l o g i c a l A s p e c t s , e d s . S o i l , D . , A b e l s o n , J . N . & S c h i m m e l ,P . R . ( C o l d S p r i n g H a r b o r L a b o r a t o r y , C o l d S p r i n g H a r b o r ,N Y ) , p p . 4 2 7 - 4 3 8 .1 4 . C r i c k , F . H . C . ( 1 9 6 6 ) J . M o l . B i o l . 1 9 , 5 4 8 - 5 5 5 .

1 5 . F u l l e r , W. & H o d g s o n , A . ( 1 9 6 7 ) N a t u r e ( L o n d o n ) 2 1 5 ,8 1 7 - 8 2 0 .1 6 . L o m a n t , A . J . & F r e s c o , J . R . ( 1 9 7 6 ) P r o g . N u c l e i c A c i d R e s .M o l . B i o l . 1 5 , 1 8 5 - 2 1 8 .1 7 . A r n o t t , S . & H u k i n s , D . W. L . ( 1 9 7 2 ) B i o c h e m . B i o p h y s . R e s .Commun. 4 7 , 1 5 0 4 - 1 5 0 9 .1 8 . A t k i n s , J . F . , N i c h o l s , B . P . & T h o m p s o n , S . ( 1 9 8 3 ) E M B O J .2 , 1 3 4 5 - 1 3 5 0 .1 9 . F o x , T . D . & W e i s s - B r u m m e r , B . ( 1 9 8 0 ) N a t u r e ( L o n d o n ) 2 8 8 ,6 0 - 6 3 .2 0 . D u n n , J . J . & S t u d i e r , F . W. ( 1 9 8 3 ) J . M o l . B i o l . 1 6 6 ,4 7 7 - 5 3 5 .