background image

 

 

The Initiation of Translation in Pro- and Eukaryotic Cells

5’ cap:

  After 20-30 nucleotides have been 

synthesized, the 5’-end of the mRNA is capped 
5’ to 5’ with a guanine nucleotide. Essential for 
the ribosome to bind to the 5’ end of the mRNA.

Poly (A) tail:

  50-250 adenine nucleotides are added to 

3’ end of mRNA. Stabilizes the mRNA, and plays 
an important role in transcription termination.

background image

 

 

Eu- and Prokaryotic Ribosomes

Eukaryotic cytoplasm

Prokaryotes, Eukaryotic organelles 
                      

(mitochondria, chloroplasts)

background image

 

 

E: Exit site for free tRNA   P: peptidyl-tRNA   A: aminoacyl-
tRNA

E, P and A Sites of Ribosomes

background image

 

 

Initiation of Translation in Prokaryotes

50S

30S

50S

30S

+

RRF

+

3

IF-3

3

1

+

mRNA

(fMet-tRNA

f

Met

)

IF-2GTPfMet-tRNA

f

met

3

1

2

GTP

fMet

30S Initiation Complex

IF-1: 71aa, assists IF-2 binding

IF-2: 890aa, binds initiator 
tRNA
        and GTP

IF-3: 180aa, releases mRNA 
and
          tRNA from recycled 30S
          subunit and aids (new)
          mRNA binding

RRF: ribosome release factor

IF-2 = initiation factor 2

In complex with GTP, it brings 
fMet-tRNA

f

Met

 to the partial P 

site on the small subunit.

Activates a GTPase activity in 
the small subunit, which 
allows dissociation of IF2, IF3, 
and IF1.

mRNA

2

GTP

fMet

background image

 

 

3

1

2

GTP

fMet

30S Initiation Complex

1

3

+

2

GTP

fMet

2

 + GDP +Pi

fMet

70S Initiation Complex

fMet

   a

a

A

site

P

site

Elongation Phase of Translation

background image

 

 

background image

 

 

Simple process – involves only initiation factors (IFs) IF-1, IF-2 
and IF-3
                             plus….. fMet-tRNA

f

Met

 and mRNA

mRNA binds to small ribosomal subunit such that initiator AUG 
is positioned in the precursor to the P site

In eubacteria, such as E. coli, the positioning of the initiator 
AUG is mediated by base pairing between

the ribosome-binding site in the (5’) untranslated region of the 
mRNA
and the 3’ end of the 16S rRNA

Initiation of Translation in Prokaryotes

background image

 

 

Some translational initiation sequences recognized by E. coli ribosomes.

Shine-Dalgarno (ribosome binding) sequence:  A nucleotide sequence (consensus = AGGAGG) 
that is present in the (5') untranslated region(s) of prokaryotic mRNAs. This sequence serves as a 
binding site for ribosomes.

background image

 

 

No involvement of mRNA 5’ end

Shine – Dalgarno sequences +AUG initiation codons can occur 
within 5’ non-translated regions, and, may also occur within 
site(s) internal to the mRNA …….

background image

 

 

Prokaryotic mRNAs may be polycistronic

The ability to bind ribosomes and initiate translation at sites 
internal to the prokaryotic mRNA
 allows  

• genes to be organised into operons, 

• an operon to be transcribed into a single (polycistronic) mRNA, 

• the expression of a number of genes (related functions) to be 
controlled
  by a single promoter (or single translational control 
mechanism)

cistron 1

cistron 2

cistron 3

sites of ribosome ‘re-cycling’

background image

 

 

Initiation of Translation in Prokaryotes

background image

 

 

Initiation of translation
      in Eukaryotes
 
It’s (much) more complex ..

background image

 

 

Initiation of Translation in Eukaryotes

major differences to prokaryotic mRNA……

• eukaryotic mRNAs possess a different 5’ ‘cap’ structure

• eukaryotic mRNAs are polyadenylated

Bases around the initiating AUG influence the efficiency of initiation: 
RNNNAUGG (‘Kozak consensus’ sequence)

Eukaryotic initiation factor eIF4 scans along mRNA from cap to find 
initiator AUG

background image

 

 

(initiating)
    AUG

open reading frame

A(n)

Stop codon

5’ ‘cap’

me7’

Gppp

43S

‘Scanning’ Model of Eukaryotic Initiation of Translation

background image

 

 

(initiating)
    AUG

open reading frame

A(n)

Stop codon

5’ ‘cap’

me7’

Gppp

‘scans’

background image

 

 

(initiating)
    AUG

A(n)

Stop codon

5’ ‘cap’

me7’

Gppp

background image

 

 

(initiating)
    AUG

A(n)

Stop codon

5’ ‘cap’

me7’

Gppp

60S

background image

 

 

(initiating)
    AUG

A(n)

Stop codon

5’ ‘cap’

me7’

Gppp

Elongation Phase

background image

 

 

AAAAAAAAAAAAAAAA

m7Gppp

Messenger RNA structure

5’NCR

AUG

3’NCR

stop

Open reading frame

‘Cap’

Exon / exon splice boundaries

Poly(A) tail

background image

 

 

m7Gppp

Messenger RNA structure – 5’ NCR

AUG

RNA stem-loop structures

background image

 

 

AAAAAAAAAAAAA

orf

Messenger RNA structure – 3’ NCR

stop

A / U rich Elements (AREs) 

       - binding sites for stabilising
                                              / destabilising proteins

mRNA localisation elements 

(usually  located in the 3’NCR)

      - binding sites for proteins which bind to the cytoskeleton

      - binding sites for proteins (located at specific cellular sites)
        which anchor the mRNA in that location

background image

 

 

Initiation of Translation

60S

40S

40S

60S

60S

40S

+

eIF6

6

eIF3

3

Ribosome anti-association factor

Binds to 40S subunit (stabilises 
Met-tRNAi) and prevents 
association with 60S subunit

background image

 

 

Ternary complex formation

eIF2

GDP

eIF2

GDP

eIF2B

eIF2

GTP

GTP

Met

eIF2

GTP

Met

eIF3

eIF5

ternary complex

eIF2

GTP

Met

multifactor complex (MFC)

eIF1

guanine nucleotide
exchange factor (GEF)

GDP-bound eIF2 cannot bind Met-tRNA

i

Met

 

GTPase activating protein (GAP)

initiator methionyl tRNA

eIF3

eIF5

eIF1

background image

 

 

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

43S Complex Formation

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

eIF1A and eIF3 promote binding 
of the multifactor complex to the 
40S subunit

43S Complex

multifactor complex (MFC)

eIF1A

background image

 

 

eIF4G

eIF4E

PABP

eIF4A

Binds poly(A) Tails

Binds 7meG ‘caps’

eIF4E  : cap binding
eIF4A  : bi-directional RNA helicase
MnkI   : MAP kinase-interacting protein kinase-1 (phosphorylates eIF3)
PABP: poly(A) binding protein

Assembly of the Cap Binding Complex: 
Eukaryotic Initiation Factor 4G (eIF4G)

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

eIF4A

Binds
eIF3

background image

 

 

eIF4E

eIF4G

eIF4A

Recruitment of the 43S complex to the 5’ end of the mRNA

eIF4B

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGCACCAUGGC

• eIF3   : interacts with eIF4G to recruit the 43S complex

• eIF4B : RNA binding protein; stimulates (but not essential for) ribosome
              binding to natural mRNA

PAB
P

PAB
P

AAAAAAAAA

background image

 

 

Scanning of the 5’ UTR 
and AUG recognition

eIF4E

eIF4G

eIF4A eIF4B

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGC

ACC

AUG

G

C

eIF4E

eIF4G

eIF4A

eIF4B

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGC

ACC

AUG

G

C

ATP

ADP + P

i

cap-binding complex recycled

background image

 

 

eIF3

eIF5

eIF2

GTP

Met

eIF1

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGCACC

AUG

GC

Conformational change, GTP hydrolysis, 
release of initiation factors, 
and assembly of the eIF5B GTPase

eIF3

eIF5

eIF2

GDP

eIF1

Met

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGCACC

AUG

GC

eIF5B

GTP

GTP hydrolysis by eIF2 requires eIF5 and possibly
a conformational change triggered by the
Met-tRNA

i

Met

 interaction with the 40S subunit

background image

 

 

Met

40S

eIF1A

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGCACC

AUG

GC

eIF5B

GTP

Assembly of the 80S ribosome

40S

eIF1A

eIF5B

GDP

60S

GTP hydrolysis by eIF5B serves as a final
checkpoint for correct 80S assembly

the 80S ribosome is now poised to elongate

60
S

6

6

m

7

GpppGAUUCGAUACCAGGGAGCUUGGCACC

AUG

GC

Met

background image

 

 

background image

 

 

Initiation of Translation of Eukaryotic mRNAs

nothing similar to prokaryotic Shine-Dalgarno sequence 

(ribosome binding 

site; RBS)

5’ mRNA cap structure crucial

cap-binding protein complex recruits 43S complex

‘scanning’ of mRNA by 43S complex from 5’ cap structure to initiating 
AUG

assembly of 80S ribosome ….. elongation

termination (proximal to site of initiation!!)

mRNAs translated as circular complexes

(essentially) no mechanism for internal initiation – eukaryotic mRNAs 
are monocistronic

background image

 

 

Factor Mol mass (kDa) and                  Function (based on biochemical studies in mammals) 
subunit composition

eIF-1     14                                         Omission restricts binding of 40S subunit to 5’ end (entry 
site)
                                                           on mRNA
eIF-1A   17                                         Catalytically promotes Met-tRNAi binding to 40S; 
required for
                                                           strong binding of 40S subunit to mRNA

eIF-2 

    36 (), 38 (), 52 ()              GTP binding protein; escorts Met-tRNAi onto 40S 

ribosomal
                                                           subunit 

eIF-2B

   81, 71, 58, 43, 34                 Guanine nucleotide exchange factor (GEF): promotes 

exchange
                                                           of GDP for GTP on eIF-2

eIF-3 

    110, 67, 42, 40, 36, 35         Binds to 40S subunit, stabilizing Met-tRNAi and 

preventing
                                                           association with 60S subunit

eIF-4E

   25                                         Binds directly to m7G cap

eIF-4G   220                                       Augments binding of eIF-4E to m7G cap; required for the 
initial
                                                           round but not for sustained translation
eIF-4A   46                                         RNA-dependent ATPase; essential for binding of 
ribosomes to
                                                           natural mRNA
eIF-4B   69                                         RNA binding protein; stimulates (but not essential for) 
ribosome
                                                           binding to natural mRNA

eIF-5

     45                                         Mediates hydrolysis of GTP associated with eIF-2 on 40S 

subunit 

                                              (eIF-6    25kDa        Ribosome anti-association factor)

background image

 

 

The Elongation Phase of Translation

background image

 

 

 Elongation Cycle of Eukaryotic Protein Synthesis 

A

P

5'

A

P

5'

An

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

 peptidyl 
 transfer

 aminoacyl-tRNA 
      binding

EF1A  GTP

P

EF1A  GDP

EF1A  GTP

EF1B

GDP

GTP

An

A

P

5'

An

A

P

5'

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

EF2  GDP

EF2  GTP

P

+

 Translocation 

An

background image

 

 

Elongation factor 2

- a molecular motor

tRNA

background image

 

 

The Termination Phase of Translation

background image

 

 

Human
 eRF1

tRNA

CCA acceptor stem

anti-codon loop

anticodon-like site
       -TASNIKS-

• terminates translation

• recognises all three stop codons

• activates a water molecule to hydrolyse tRNA-peptide ester 
linkage

eRF1

- GGQ -

background image

 

 

tRNA

EF-tu (eEF1A)

eRF3

GTPase : enhances termination efficiency

stimulates eRF1 activity in a GTP-dependent 
manner

eRF3:  a molecular mimic of elongation factor 1A

background image

 

 

E      P       A

G

E       P      A

OH

OH

E        P        A

G

OH

OH

G

OH

eRF1

H

2

0

    eRF1 binds into A site
(interacts with stop codon)

    eRF1 activates a water
molecule to hydrolyse the 
peptidyl-tRNA ester linkage

eRF3 binds and accelerates
   the dissociation of eRF1
 - nascent protein released

background image

 

 


Document Outline