11.5: Leaky Scanning

Leaky Scanning
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Molecular Biology
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Leaky Scanning

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02:28 min
November 23, 2020

Overview

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. 

Transcript

Während der eukaryotischen Translation scannen Ribosomen die mRNA ab dem 5′-Ende, bis sie auf die erste AUG-Sequenz, das Startcodon, treffen und die Proteinsynthese initiieren.

Eine mRNA kann jedoch zwei oder mehr AUG-Codons in ihrer Sequenz enthalten. Ribosomen erkennen manchmal das erste AUG-Codon nicht und beginnen die Proteinsynthese stattdessen von einem Startcodon weiter unten im mRNA-Strang.

Dieses Phänomen wird als Leaky Scanning bezeichnet und ermöglicht die Herstellung mehrerer Proteintypen aus derselben mRNA.

Eine bestimmte Konsensussequenz, die sogenannte Kozak-Sequenz, bestimmt, ob ein Ribosom die Proteinsynthese beim ersten Startcodon startet oder überspringt. In dieser Sequenz wird das A des ersten Startcodons AUG als +1 nummeriert. Die Nukleotide danach sind positiv und die Nukleotide davor sind negativ.

Die optimale Sequenz tritt auf, wenn ein Purin in der -3-Position und ein Guanin in der +4-Position vorhanden ist. In der -3-Position ist Adenin wirksamer als Guanin, wenn es darum geht, die Translation zu initiieren.

Veränderungen im Rest der Nukleotidsequenz haben nur einen geringen Einfluss auf die Proteinsynthese.

Wenn eine optimale Sequenz vorhanden ist, initiieren fast alle Ribosomen die Proteinsynthese an diesem AUG-Codon.

Wenn dagegen ein Purin an der -3-Position oder ein Guanin an der +4-Position fehlt, initiieren nur einige Ribosomen die Translation am ersten AUG-Codon. Die Mehrheit der Ribosomen überspringt dieses Startcodon, fährt mit dem Scannen der mRNA fort und initiiert die Translation an einem stromabwärts gelegenen Startcodon innerhalb einer optimalen Erkennungssequenz.

Wenn beim Leaky Scanning beide Codons den gleichen Leserahmen haben, unterscheiden sich die produzierten Proteine nur in ihren N-Termini. So können Zellen zum Beispiel Proteine ohne ein organellenspezifisches Signal am N-Terminus produzieren.

Hat das stromabwärts gelegene Startcodon hingegen einen anderen Leserahmen als das erste Startcodon, kann dies zur Produktion völlig unterschiedlicher Arten von Proteinen führen.

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