Atomic insights reveal fidelity mechanisms of eukaryotic protein synthesis
- PMID: 40694004
- DOI: 10.5802/crbiol.180
Atomic insights reveal fidelity mechanisms of eukaryotic protein synthesis
Abstract
Protein synthesis involves a critical step where messenger RNA (mRNA) and transfer RNAs (tRNAs) must move in tandem to advance the mRNA reading frame by one codon. This process, known as translocation, is catalyzed by elongation factor G (EF-G) in prokaryotes and elongation factor 2 (eEF2) in archaea and eukaryotes. While eEF2 not only accelerates translocation but also maintains reading frame fidelity, high-resolution structural insights into eukaryotic translocation have remained limited compared to the extensively studied prokaryotic system. In our recently published study, we employed cryogenic-electron microscopy (cryo-EM) to determine ten high-resolution reconstructions of the elongating eukaryotic ribosome in complex with the full translocation module, including mRNA, peptidyl-tRNA, and deacylated tRNA (Milicevic et al.,2024). Seven of these structures included ribosome-bound, naturally modified eEF2. These snapshots captured the stepwise progression of the mRNA-tRNA2-peptide module through the eukaryotic 80S ribosome, from the initial accommodation of eEF2 until the final stages of translocation (Milicevic et al.,2024). We further showed a complex network of interactions that safeguards against reading frame slippage during translation. Additionally, we illustrated how the accuracy of translocation in eukaryotes is reinforced by specific features of the 80S ribosome and eEF2. Finally, we suggested that diphthamide, a conserved post-translational modification in eEF2, not only stabilizes correct Watson-Crick codon-anticodon pairing, but also restricts Wobble geometry of the second base pair.
La synthèse des protéines comporte une étape cruciale au cours de laquelle l’ARN messager (ARNm) et les ARNs de transfert (ARNt) doivent se déplacer en tandem pour faire avancer le cadre de lecture de l’ARNm d’un codon. Ce processus, connu sous le nom de translocation, est catalysé par le facteur d’élongation G (EF-G) chez les procaryotes et par le facteur d’élongation 2 (eEF2) chez les archées et les eucaryotes. Alors qu’eEF2 accélère la translocation tout en assurant le maintien de fidélité du cadre de lecture, les données structurales à haute résolution de la translocation chez les eucaryotes demeurent limitées et les connaissances actuelles sont basées largement sur la translocation procaryote. Dans notre étude récemment publiée (Milicevic et al.,2024), nous avons utilisé la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) afin de résoudre dix structures à haute résolution du ribosome eucaryote au cours de la phase d’élongation. Nous avons ainsi décrit le complexe avec le module de translocation intégral, à savoir l’ARNm, le peptidyl-ARNt et l’ARNt déacylé. Sept de ces structures ont été corésolues avec eEF2 native. Nos résultats retracent la progression pas à pas du module ARNm-ARNt2-peptide à travers le ribosome eucaryote 80S, depuis le recrutement d’eEF2 jusqu’aux étapes finales de la translocation. Nous avons mis en évidence un réseau complexe d’interactions qui maintien le cadre de lecture traductionnel. En outre, nous avons montré comment la fidélité de la translocation chez les eucaryotes est renforcée par des modifications du ribosome 80S et d’eEF2 spécifiques à ce règne. Enfin, nous suggérons que la diphthamide, une modification post-traductionnelle conservée d’eEF2 chez les archées et les eucaryotes, non seulement stabilise l’appariement Watson-Crick, mais empêche également la géométrie Wobble au niveau de la deuxième paire de bases du module codon-anticodon.
Keywords: Accuracy; Elongation; Eukaryote; Protein; Ribosome; Translocation; mRNA.
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