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11.5:

Leaky Scanning

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Molecular Biology
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Leaky Scanning

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Durante la traduzione eucariotica, i ribosomi scansionano l’mRNA, a partire dall’estremità 5-primi, fino a quando incontrano la prima sequenza AUG, il codone di partenza, e iniziano la sintesi delle proteine. Tuttavia, un mRNA può avere due o più codoni AUG contenuti nella sua sequenza. I ribosomi a volte non riusciranno a riconoscere il primo codone AUG, e, invece, inizieranno la sintesi proteica da un codone di partenza più in basso nel filamento di mRNA.Questo fenomeno è chiamato scansione a perdita, e permette la produzione di diversi tipi di proteine dallo stesso mRNA. Una particolare sequenza consensus, nota come sequenza di Kozak, determina se un ribosoma inizierà la sintesi proteica al primo codone di inizio o di saltarlo. In questa sequenza, la A del primo codone di partenza AUG, è numerata come più uno.I nucleotidi seguenti, sono positivi, e i nucleotidi precedenti sono negativi. La sequenza ottimale si verifica quando una purina è presente nella posizione meno tre e una guanina è presente nella posizione più quattro. Nella posizione meno tre, l’adenina è più efficace della guanina all’inizio della traduzione.I cambiamenti nel resto della sequenza nucleotidica hanno poca influenza sulla sintesi proteica. Quando è presente una sequenza ottimale, quasi tutti i ribosomi inizieranno la sintesi proteica in questo codone di AUG. Al contrario, se una purina nella posizione meno tre o una guanina nella posizione più quattro è assente, solo alcuni ribosomi inizieranno la traduzione al primo codone AUG.La maggior parte dei ribosomi salterà questo codone di inizio, continuerà a scansionare l’mRNA e inizierà la traduzione in un codone di inizio a valle con una sequenza di riconoscimento ottimale. Nella scansione Leakey, se entrambi i codoni hanno la stessa lettura, le proteine prodotte differiranno solo nei loro termini finali. Ciò consente alle cellule di produrre proteine senza un segnale organello-specifico al terminale N, per esempio.Invece, se il codone di partenza a valle ha una diversa fase di lettura rispetto a quella del primo codone di partenza, può portare alla produzione completa di diversi tipi di proteine.

11.5:

Leaky Scanning

During most eukaryotic translation processes, the small 40S ribosome subunit scans an mRNA from its 5' end until it encounters the first start AUG codon. The large 60S ribosomal subunit then joins the smaller one to initiate protein synthesis. The location of the translation initiation is largely determined by the nucleotides near the start codon as there may be multiple translation initiation sites present on the mRNA.  Marilyn Kozak discovered that the sequence RCCAUGG (where R stands for either adenine or guanine) is an optimal recognition sequence for translation initiation. The purine at -3 position and the guanine at +4 position are highly conserved throughout animal and plant species and regulate the initiation of protein synthesis. If the first start codon does not have a purine at -3 position and guanine at +4 position, then this sequence is in a weak context. For example, the peanut clump virus contains an RNA that encodes two proteins, p23 and p39. The first start codon is for p23 synthesis and has a weak recognition sequence, CUUAUGU. Around 30% of ribosomes will skip the first start codon and initiate translation at a downstream start codon instead, producing the second protein, p39. This initiation of translation at an alternative site is known as leaky scanning and has been observed in mRNAs of mammals, plants, and viruses.

The distance of the start codon from other elements in the transcript can also cause leaky scanning. If the first start codon is less than 12 nucleotides from the 5' end of the transcript, the first AUG may be skipped. This can also occur if two AUG start codons are closely spaced, as seen in segment 6 of the influenza virus B, where two start codons are separated by only 4 nucleotides.

Leaky scanning enables organisms to produce different isoforms of a protein when the two start codons are in the same reading frame. The glucocorticoid receptor gene from mammals is a good example of this type of leaky scanning where two different isoforms of the protein are produced – the larger 94 kDa GR1 and the smaller 91 kDa GR2. Despite its smaller size, GR2 is two times more efficient than GR1 in gene transactivation. On the other hand, if the first and downstream start codons have different reading frames, it can lead to the production of completely different proteins. For example, the segment 2 mRNA of the influenza A virus can encode 2 different proteins. The first protein is a core component of the viral polymerase which is necessary for virus replication; the second protein promotes apoptosis and is not essential for virus replication. 

Suggested Reading

  1. Firth, Andrew E., and Ian Brierley. "Non-canonical translation in RNA viruses." The Journal of General Virology 93, no. Pt 7 (2012): 1385.
  2. Yang, Xiaolong, Garry Chernenko, Yawei Hao, Zhihu Ding, Mary M. Pater, Alan Pater, and Shou-Ching Tang. "Human BAG-1/RAP46 protein is generated as four isoforms by alternative translation initiation and overexpressed in cancer cells." Oncogene 17, no. 8 (1998): 981-989.
  3. Ferreira, Joshua P., William L. Noderer, Alexander J. Diaz de Arce, and Clifford L. Wang. "Engineering ribosomal leaky scanning and upstream open reading frames for precise control of protein translation." Bioengineered 5, no. 3 (2014): 186-192.
  4. Yudt, Matthew R., and John A. Cidlowski. "Molecular identification and characterization of a and b forms of the glucocorticoid receptor." Molecular Endocrinology 15, no. 7 (2001): 1093-1103.
  5. Wise, Helen M., Cyril Barbezange, Brett W. Jagger, Rosa M. Dalton, Julia R. Gog, Martin D. Curran, Jeffery K. Taubenberger, Emma C. Anderson, and Paul Digard. "Overlapping signals for translational regulation and packaging of influenza A virus segment 2." Nucleic Acids Research 39, no. 17 (2011): 7775-7790.