15.4: Обробка РНК у еукаріотів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1901

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Опишіть різні етапи обробки РНК
Зрозумійте значення екзонів, інтронів та сплайсингу
Поясніть, як обробляються ТРНК та РРНК

Після транскрипції еукаріотичні пре-МРНК повинні пройти кілька етапів обробки, перш ніж їх можна буде перевести. Еукаріотичні (і прокаріотичні) тРНК та РРНК також проходять обробку, перш ніж вони зможуть функціонувати як компоненти в механізмі синтезу білків.

Обробка мРНК

Еукаріотична пре-МРНК проходить велику обробку, перш ніж вона буде готова до перекладу. Додаткові етапи, що беруть участь у дозріванні еукаріотичної мРНК, створюють молекулу з набагато довшим періодом напіврозпаду, ніж прокаріотична мРНК. Еукаріотичні мРНК тривають кілька годин, тоді як типова мРНК кишкової палички триває не більше п'яти секунд.

Попередньо МРНК спочатку покриті РНК-стабілізуючими білками; вони захищають попередньо мРНК від деградації, поки вона обробляється та експортується з ядра. Три найважливіші етапи обробки до МРНК - це додавання стабілізуючих та сигнальних факторів на 5' та 3' кінцях молекули та видалення інтервенційних послідовностей, які не вказують відповідні амінокислоти. У рідкісних випадках стенограма мРНК може бути «відредагована» після її транскрибування.

Еволюційний зв'язок: редагування РНК у трипаносомах

Трипаносоми - це група найпростіших, до складу якої входить збудник Trypanosoma brucei, який викликає сонну хворобу у людини (рис.\(\PageIndex{1}\)). Трипаносоми, і практично всі інші еукаріоти, мають органели, звані мітохондріями, які постачають клітину хімічною енергією. Мітохондрії - це органели, які виражають власну ДНК і, як вважають, є залишками симбіотичного зв'язку між еукаріот і охоплений прокаріот. Мітохондріальна ДНК трипаносом демонструє цікавий виняток із Центральної догми: їх попередньо МРНК не мають правильної інформації для уточнення функціонального білка. Зазвичай це відбувається тому, що в мРНК відсутні кілька нуклеотидів U. Клітина виконує додатковий етап обробки РНК, який називається редагуванням РНК, щоб виправити це.

На мікрофотографії зображено T. brucei, який має П-подібне тіло клітини і довгий хвіст. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): *Trypanosoma brucei* є збудником сонної хвороби у людини. МРНК цього збудника повинні бути модифіковані додаванням нуклеотидів до того, як може відбутися синтез білка. (кредит: модифікація роботи Торстена Охсенрайтера)

Інші гени в геномі мітохондрій кодують від 40 до 80-нуклеотидних напрямних РНК. Одна або кілька з цих молекул взаємодіє шляхом комплементарного сполучення основи з деякими нуклеотидами в стенограмі до МРНК. Однак направляюча РНК має більше нуклеотидів А, ніж попередня МРНК має U-нуклеотиди для зв'язування. У цих регіонах направляє РНК петлі. 3' кінці напрямних РНК мають довгий полі-U хвіст, і ці U-основи вставляються в області перед-мРНК стенограми, в яких направляють РНК петлі. Цей процес повністю опосередкований молекулами РНК. Тобто направляючі РНК - а не білки - служать каталізаторами при редагуванні РНК.

Редагування РНК - це не просто явище трипаносом. У мітохондріях деяких рослин практично всі пре-МРНК редагуються. Редагування РНК також було виявлено у ссавців, таких як щури, кролики і навіть люди. Що може бути еволюційною причиною цього додаткового кроку в обробці перед МРНК? Одна з можливостей полягає в тому, що мітохондрії, будучи залишками древніх прокаріотів, мають однаково древній метод на основі РНК для регулювання експресії генів. На підтвердження цієї гіпотези правки, внесені до попередніх МРНК, відрізняються залежно від клітинних умов. Хоча спекулятивний, процес редагування РНК може бути затримкою від споконвічного часу, коли молекули РНК замість білків відповідали за каталізаційні реакції.

5' закупорювання

Хоча попередньо МРНК все ще синтезується, 7-метилгуанозин ковпачок додається до 5' кінця зростаючої стенограми фосфатним зв'язком. Цей фрагмент (функціональна група) захищає зароджується мРНК від деградації. Крім того, фактори, що беруть участь у синтезі білка, розпізнають шапку, щоб допомогти ініціювати трансляцію рибосомами.

3' Полі-А Хвіст

Після завершення подовження попередньо мРНК розщеплюється ендонуклеазою між послідовністю консенсусу AAUAAA та багатою GU-послідовністю, залишаючи послідовність AAUAAA на попередньо мРНК. Фермент під назвою Poly-A полімераза потім додає рядок із залишків приблизно 200 А, званий хвостом Poly-A. Ця модифікація додатково захищає пре-МРНК від деградації і сигналізує про експорт клітинних факторів, необхідних стенограмі в цитоплазму.

Попередньо зрощування МРНК

Еукаріотичні гени складаються з екзонів, які відповідають послідовностям, що кодують білок (ex-on означає, що вони ex пресовані), і int ervening послідовностей, званих інтронами (INT - залізо позначає їх внутрішню роль), який можуть брати участь у регуляції генів, але видаляються з попередньої МРНК під час обробки. Інтронні послідовності в мРНК не кодують функціональні білки.

Відкриття інтронів стало несподіванкою для дослідників у 1970-х роках, які очікували, що попередні МРНК вказуватимуть білкові послідовності без подальшої обробки, як вони спостерігали у прокаріотів. Гени вищих еукаріотів дуже часто містять один або кілька інтронів. Ці регіони можуть відповідати регуляторним послідовностям; однак біологічне значення наявності багатьох інтронів або наявності дуже довгих інтронів у гені неясна. Цілком можливо, що інтрони уповільнюють експресію генів, оскільки для транскрибування попередніх МРНК з великою кількістю інтронів потрібно більше часу. Крім того, інтрони можуть бути нефункціональними залишками послідовності, що залишилися від злиття древніх генів протягом еволюції. Це підтримується тим, що окремі екзони часто кодують окремі білкові субодиниці або домени. Здебільшого послідовності інтронів можна мутувати, не впливаючи в кінцевому підсумку на білковий продукт.

Всі інтрони до МРНК повинні бути повністю і точно видалені перед синтезом білка. Якщо процес помиляється навіть одним нуклеотидом, кадр зчитування знову приєднаних екзонів зміститься, і отриманий білок буде дисфункціональним. Процес видалення інтронів і повторного підключення екзонів називається зрощуванням (рис.\(\PageIndex{2}\)). Інтрони видаляються та деградуються, поки попередня МРНК все ще знаходиться в ядрі. Зрощування відбувається за допомогою механізму, специфічного для послідовності, який гарантує, що інтрони будуть видалені, а екзони знову з'єднані з точністю та точністю одного нуклеотиду. Зрощування пре-МРНК проводиться комплексами білків і молекул РНК, які називаються спліцеосомами.

Мистецтво З'єднання

На ілюстрації показана спліцеосома, пов'язана з мРНК. Інтрон обертається навколо SNRNP, пов'язаних із сплайцеосомою. Коли зрощування завершено, екзони по обидва боки інтрона зливаються разом, і інтрон утворює кільцеву структуру. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зрощування МРНК передбачає точне видалення інтронів з первинної стенограми РНК. Процес зрощування каталізується білковими комплексами, званими спліцеосом, які складаються з білків і молекул РНК, званих SNRNA. Spliceosomes розпізнає послідовності на 5' і 3' кінці інтрона.

Помилки в зрощенні пов'язані з раковими захворюваннями та іншими захворюваннями людини. Які види мутацій можуть призвести до помилок зрощування? Подумайте про різні можливі результати, якщо виникають помилки зрощування.

Зауважте, що може бути присутнім більше 70 окремих інтронів, і кожен повинен пройти процес зрощування - на додаток до 5' укупорки і додавання полі-А хвоста - тільки для створення однієї, що транслюється молекули мРНК.

Посилання на навчання

Подивіться, як інтрони видаляються під час сплайсингу РНК на цьому веб-сайті.

Обробка ТРНК та РРНК

ТРНК та РРНК - це структурні молекули, які відіграють роль у синтезі білка; однак ці РНК самі по собі не перекладені. Попередньо РРНК транскрибуються, обробляються та збираються в рибосоми в ядерці. Попередні ТРНК транскрибуються і обробляються в ядрі, а потім вивільняються в цитоплазму, де вони пов'язані з вільними амінокислотами для синтезу білка.

Більшість ТРНК і РРНК у еукаріотів і прокаріотів спочатку транскрибуються як довга молекула-попередник, яка охоплює множинні РРНК або ТРНК. Потім ферменти розщеплюють попередники на субодиниці, відповідні кожній структурній РНК. Деякі основи пре-РРНК метильовані; тобто для стабільності додається фрагмент —CH ₃ (метильна функціональна група). Молекули перед тРНК також піддаються метилуванню. Як і у випадку з пре-МРНК, висічення субодиниці відбувається в еукаріотичних пре-РНК, призначених стати ТРНК або РРНК.

Зрілі РРНК складають приблизно 50 відсотків кожної рибосоми. Деякі молекули РНК рибосоми є чисто структурними, тоді як інші мають каталітичну або зв'язуючу активність. Зрілі ТРНК приймають тривимірну структуру за допомогою внутрішньомолекулярного водневого зв'язку, щоб розташувати місце зв'язування амінокислот на одному кінці і антикодон на іншому кінці (рис.\(\PageIndex{3}\)). Антикодон - це тринуклеотидна послідовність в тРНК, яка взаємодіє з кодоном мРНК шляхом комплементарного сполучення основи.

Молекулярна модель тРНК фенілаланіну має Г-подібну форму. На одному кінці знаходиться антикодон ААГ. На іншому кінці знаходиться місце кріплення амінокислоти фенілаланін. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Це модель заповнення простору молекули тРНК, яка додає амінокислоту фенілаланін до зростаючого поліпептидного ланцюга. Антикодон AAG пов'язує UUC кодону на мРНК. Амінокислота фенілаланін прикріплюється до іншого кінця тРНК.

Резюме

Еукаріотичні пре-МРНК модифіковані 5' метілгуанозиновим ковпачком та хвостом Poly-A. Ці структури захищають зрілу мРНК від деградації і допомагають експортувати її з ядра. Попередні МРНК також піддаються зрощуванню, при якому інтрони видаляються і екзони знову з'єднуються з однонуклеотидною точністю. З ядра в цитоплазму експортуються лише готові мРНК, які зазнали 5' закупорювання, 3' поліаденілювання та інтронного сплайсингу. Попередні РРНК та пре-ТРНК можуть бути оброблені шляхом внутрішньомолекулярного розщеплення, зрощування, метилювання та хімічної конверсії нуклеотидів. Рідко редагування РНК також проводиться для вставки відсутніх основ після синтезу мРНК.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Помилки в зрощенні пов'язані з раковими захворюваннями та іншими захворюваннями людини. Які види мутацій можуть призвести до помилок зрощування? Подумайте про різні можливі результати, якщо виникають помилки зрощування.

Відповідь: Мутації в послідовності розпізнавання сплацеосом на кожному кінці інтрона, або в білках і РНК, що складають сплайцеосому, можуть погіршити зрощування. Мутації також можуть додавати нові сайти розпізнавання spliceosome. Помилки зрощування можуть призвести до того, що інтрони зберігаються в зрощеній РНК, екзони висічуються або зміни місця розташування місця зрощування.

Глосарій

7-метилгуанозин ковпачок: модифікація додана до 5-дюймового кінця попередніх МРНК для захисту мРНК від деградації та сприяння трансляції

антикодон: тринуклеотидна послідовність в молекулі тРНК, що відповідає кодону мРНК

ексон: послідовність присутня в іРНК, що кодує білок, після завершення зрощування до мРНК

інтрон: небілкові інтервенційні послідовності, які зрощуються з мРНК під час обробки

Полі-а хвіст: модифікація додана до 3-футового кінця пре-МРНК для захисту мРНК від деградації та сприяння експорту мРНК з ядра

Редагування РНК: пряма зміна одного або декількох нуклеотидів у мРНК, яка вже синтезована

зрощування: процес видалення інтронів та повторного підключення екзонів у пре-МРНК