Kolísavé párovanie báz

Kolísavé párovanie báz alebo wobble párovanie báz (z anglického "wobble pairing") je párovanie medzi dvoma nukleotidmi v molekulách RNA, ktoré nedodržiava pravidlá Watson-Crickovho párovania báz. Štyri hlavné kolísavé páry báz sú guanín-uracil (GU), hypoxantín-uracil (IU), hypoxantín-adenín (IA) a hypoxantín-cytozín (IC). Aby sa zachovala konzistencia názvoslovia nukleových kyselín, pre hypoxantín sa používa písmeno „I“, pretože hypoxantín je nukleobázou inozínu. Názvoslovie sa inak riadi názvami nukleobáz a ich odpovedajúcich nukleozidov (napr. „G“ pre guanín aj guanozín – ako aj pre deoxyguanozín). Termodynamická stabilita kolísavého páru báz je porovnateľná so stabilitou Watson-Crickovho páru báz. Kolísavé páry báz sú základom sekundárnej štruktúry RNA a sú rozhodujúce pre správnu transláciu genetického kódu.
História.
V genetickom kóde je 43 = 64 možných kodónov (sekvencií 3 nukleotidov). Aby mohla prebehnúť translácia, vyžaduje každý z týchto kodónov odpovedajúcu molekulu tRNA s antikodónom, ktorý odpovedá danému kodónu. Ak by bola každá molekula tRNA spárovaná s jej komplementárnym kodónom v mRNA pomocou kanonického párovania báz, bolo by potrebných 64 typov tRNA. V štandardnom genetickom kóde sú tri zo 64 kodónov takzvané stop kodóny (UAA, UAG a UGA), ktoré ukončujú transláciu väzbou na uvoľňovacie faktory a nie na molekuly tRNA, takže kanonické párovanie by vyžadovalo 61 druhov tRNA. Pretože väčšina organizmov má menej ako 45 typov tRNA, niektoré typy tRNA sa môžu spárovať s viacerými synonymnými kodónmi, z ktorých všetky kódujú rovnakú aminokyselinu. V roku 1966 Francis Crick navrhol "hypotézu kolísania" (anglicky „wobble hypothesis“), aby vysvetlil tento fenomén. Predpokladal, že 5' báza na antikodóne, ktorá sa viaže na 3' bázu na mRNA, nie je tak priestorovo obmedzená ako ostatné dve bázy a teda môže tvoriť neštandardné párovanie báz. Crick navrhol tento názov kvôli malému kolísaniu, ktoré sa vyskytuje v tejto tretej kodónovej pozícii. Pohyb („kolísanie“) bázy v polohe 5' antikodónu je nevyhnutný pre malé konformačné úpravy, ktoré ovplyvňujú celkovú geometriu párovania antikodónov tRNA.
Kvasinková tRNAPhe má napríklad antikodón 5'-GmAA-3' a dokáže rozpoznať kodóny 5'-UUC-3' a 5'-UUU-3'. Vďaka tomu môže dôjsť k párovaniu báz mimo Watson-Crickových pravidiel na polohe tretieho kodónu, teda medzi 3' nukleotidom kodónu mRNA a 5' nukleotidu antikodónu tRNA.
Hypotéza kolísania.
Tieto predstavy viedli Francisa Cricka k vytvoreniu hypotézy kolísania, teda súboru štyroch vzťahov vysvetľujúcich tieto prirodzene sa vyskytujúce vlastnosti:
Schémy párovania.
Tabuľka nižšie zobrazuje možné páry báz. Watson-Crickove páry báz sú zobrazené tučným písmom. Zátvorky označujú väzby, ktoré fungujú, ale budú menej uprednostňované. Úvodné x označuje deriváty (vo všeobecnosti) nasledujúcej bázy.
Biologický význam.
Okrem zjavnej nevyhnutnosti kolísania, keďže naše bunky majú obmedzené množstvo tRNA a kolísanie umožňuje širokú špecifickosť, sa ukázalo, že kolísavé páry báz uľahčujú mnohé biologické funkcie, najjasnejšie demonštrované v baktérii "Escherichia coli", modelovom organizme. V štúdii tRNA pre alanín⁣ z "E. coli" bol objavený kolísavý pár báz, ktorý určuje, či sa bude tRNA aminoacylovať alebo nie. Keď sa tRNA dostane k aminoacyl tRNA syntetáze, úlohou syntetázy je spojiť túto RNA v tvare t s jej aminokyselinou. Tieto aminoacylované tRNA sa potom účastnia translácie mRNA a sú základnými prvkami, ktoré sa spájajú s kodónom aminokyseliny. Nevyhnutnosť kolísavého páru báz bola ilustrovaná prostredníctvom experimentov, kde sa pár guanín-uracil zmenil na prirodzený pár guanín-cytozín. Oligoribonukleotidy boli syntetizované na Gene Assembler Plus a potom sa rozprestrené cez sekvenciu DNA, o ktorej je známe, že kóduje tRNA pre alanín. Potom bolo produktom týchto nových tRNA zmerané 2D-NMR, ktoré bolo porovnané s kolísavými tRNA. Výsledky naznačujú, že so zmenou tohto kolísavého páru báz sa zmenila aj štruktúra a znemožnila tvorba alfa helixu. Alfa helix je rozpoznateľná štruktúra pre aminoacyl tRNA syntetázu a bez nej syntetáza nespojí aminokyselinu alanín s tRNA pre alanín. Toto kolísavé párovanie báz je teda nevyhnutné pre použitie aminokyseliny alanínu v "E. coli" a jeho význam by znamenal význam pre mnohé príbuzné druhy.