16.5: Еукаріотична пост-транскрипційна регуляція генів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1881

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

Навички для розвитку

Зрозумійте сплайсинг РНК та поясніть його роль у регулюванні експресії генів
Охарактеризуйте важливість стабільності РНК у регуляції генів

РНК транскрибується, але повинна бути перероблена в зрілу форму, перш ніж переклад може початися. Ця обробка після транскрипції молекули РНК, але перед тим, як вона буде переведена в білок, називається посттранскрипційної модифікацією. Як і на епігенетичних та транскрипційних етапах обробки, цей посттранскрипційний крок також може регулюватися для контролю експресії генів у клітині. Якщо РНК не обробляти, шатунувати або переводити, то ніякого білка синтезуватися не буде.

Зрощування РНК, перший етап посттранскрипційного контролю

У еукаріотичних клітині стенограма РНК часто містить області, звані інтронами, які видаляються перед перекладом. Області РНК, які кодують білок, називаються екзонами (рис.\(\PageIndex{1}\)). Після транскрибування молекули РНК, але до її відходу з ядра для перекладу РНК обробляється, а інтрони видаляються зрощенням.

Пре-МРНК має чотири екзони, розділені трьома інтронами. Попередня МРНК може бути альтернативно зрощена для створення двох різних білків, кожен з трьома екзонами. Один білок містить екзони один, два і три. Інший білок містить екзони один, три і чотири. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Попередньо МРНК можна альтернативно зрощувати для створення різних білків.

Еволюція з'єднання: Альтернативне зрощування РНК

У 1970-х роках вперше спостерігалися гени, які демонстрували альтернативне зрощування РНК. Альтернативне зрощування РНК - це механізм, який дозволяє виробляти різні білкові продукти з одного гена, коли різні комбінації інтронів, а іноді і екзонів, видаляються з розшифровки (рис.\(\PageIndex{2}\)). Цей альтернативний сплайсинг може бути випадковим, але частіше він контролюється і діє як механізм генної регуляції, при цьому частота різних альтернатив зрощування контролюється клітиною як спосіб контролю виробництва різних білкових продуктів в різних клітині або на різних стадіях розвиток. Альтернативне сплайсинг тепер розуміється як загальний механізм регуляції генів у еукаріотів; за однією оцінкою, 70 відсотків генів у людини виражаються як множинні білки за допомогою альтернативного сплайсингу.

Діаграма показує п'ять методів альтернативного зрощування пре-МРНК. Коли відбувається пропускання екзону, екзон зрощується в одному зрілому продукті мРНК і зберігається в іншому. Коли в пре-мРНК присутні взаємовиключні екзони, в зрілій мРНК зберігається лише один. Коли альтернативний 5' донорський сайт присутній, розташування місця зрощування 5' є змінним. Коли альтернативний 3' акцептор сайт присутній, розташування 3' місце зрощування є змінним. Утримання інтронів призводить до того, що інтрон зберігається в одній зрілій мРНК і розщеплюється в іншій. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Існує п'ять основних режимів альтернативного зрощування.

Як може розвиватися альтернативне зрощування? Інтрони мають послідовність розпізнавання початку та кінця; легко уявити собі невдачу механізму сплайсингу, щоб ідентифікувати кінець інтрона і замість цього знайти кінець наступного інтрона, таким чином видаливши два інтрони і втручаються екзон. Насправді існують механізми, що запобігають подібному пропуску інтронів, але мутації, швидше за все, призведуть до їх виходу з ладу. Такі «помилки» з більшою ймовірністю призведуть до утворення нефункціонального білка. Дійсно, причиною багатьох генетичних захворювань є альтернативне зрощування, а не мутації в послідовності. Однак альтернативний сплайсинг створив би білковий варіант без втрати вихідного білка, відкривши можливості для адаптації нового варіанту до нових функцій. Дублювання генів відіграло важливу роль у еволюції нових функцій подібним чином, забезпечуючи гени, які можуть розвиватися без усунення вихідного, функціонального білка.

Посилання на навчання

Візуалізуйте, як відбувається зрощування мРНК, спостерігаючи за процесом у дії в цьому відео. Анімація проекту анімації віртуальних клітин NDSU «Зрощування мРНК».

Контроль стабільності РНК

Перш ніж мРНК покине ядро, йому дають дві захисні «ковпачки», які запобігають руйнуванню кінця пасма під час її подорожі. 5' ковпачок, який розміщується на 5' кінці мРНК, зазвичай складається з метильованої молекули гуанозинтрифосфату (GTP). Хвіст Poly-A, який прикріплений до кінця 3', зазвичай складається з ряду аденінних нуклеотидів. Після транспортування РНК до цитоплазми можна контролювати тривалість часу перебування РНК. Кожна молекула РНК має певну тривалість життя і розпадається з певною швидкістю. Ця швидкість розпаду може впливати на те, скільки білка знаходиться в клітці. Якщо швидкість розпаду збільшена, РНК не буде існувати в цитоплазмі так довго, скорочуючи час трансляції. І навпаки, якщо швидкість розпаду зменшується, молекула РНК буде проживати в цитоплазмі довше і більше білка можна перевести. Ця швидкість розпаду називається стабільністю РНК. Якщо РНК стабільна, вона буде виявлятися протягом більш тривалих періодів часу в цитоплазмі.

Зв'язування білків з РНК може впливати на її стабільність. Білки, звані РНК-зв'язуючими білками, або RBP, можуть зв'язуватися з областями РНК тільки вище за течією або нижче за течією області, що кодує білок. Ці регіони в РНК, які не переведені на білок, називаються неперекладеними регіонами, або УТР. Вони не є інтронами (ті, які були видалені в ядрі). Скоріше, це регіони, які регулюють локалізацію, стабільність та трансляцію білка мРНК. Регіон безпосередньо перед областю кодування білка називається 5' UTR, тоді як область після області кодування називається 3' UTR (рис.\(\PageIndex{3}\)). Зв'язування RBP з цими регіонами може збільшити або зменшити стабільність молекули РНК, залежно від конкретного RBP, який зв'язується.

У зрілій молекулі РНК екзони зрощуються між 5' і 3' неперекладеними областями. 5' шапка прикріплена до 5' неперекладеної області, а хвіст Poly-A прикріплений до області 3' неперекладених. РНК-зв'язуючі білки асоціюються з 5' і 3' неперекладеними регіонами. — Рисунок\(\PageIndex{3}\): Область, що кодує білок мРНК, фланкується 5' та 3' неперекладеними регіонами (УТР). Наявність РНК-зв'язуючих білків при 5' або 3' UTR впливає на стабільність молекули РНК.

Стабільність РНК та мікроРНК

На додаток до RBP, які зв'язуються і контролюють (збільшують або зменшують) стабільність РНК, інші елементи, звані мікроРНК, можуть зв'язуватися з молекулою РНК. Ці мікроРНК, або miRNA, є короткими молекулами РНК, які мають довжину лише 21-24 нуклеотидів. МіРНК виготовляються в ядрі як довші попередні MIRNA. Ці попередньо MIRNA подрібнюються на зрілі miRNA білком, який називається dicer. Як і фактори транскрипції та ОДП, зрілі мікроНК розпізнають певну послідовність і зв'язуються з РНК; однак мікроНК також асоціюються з рибонуклеопротеїновим комплексом, який називається РНК-індукованим комплексом глушіння (RISC). RISC зв'язується разом з miRNA для погіршення цільової мРНК. Разом мікроНК і комплекс RISC швидко руйнують молекулу РНК.

Резюме

Пост-транскрипційний контроль може відбуватися на будь-якому етапі після транскрипції, включаючи сплайсинг РНК, ядерний шатлінг та стабільність РНК. Після транскрибування РНК її потрібно обробити, щоб створити зрілу РНК, готову до перекладу. Це передбачає видалення інтронів, які не кодують білок. Spliceosomes зв'язуються з сигналами, які позначають межу екзона/інтрона, щоб видалити інтрони та лігувати екзони разом. Як тільки це відбувається, РНК дозріває і може бути переведена. РНК створюється і зрощується в ядрі, але її потрібно транспортувати до цитоплазми для перекладу. РНК транспортується в цитоплазму через комплекс ядерних пор. Після того, як РНК знаходиться в цитоплазмі, тривалість часу, коли вона перебуває там до деградації, називається стабільністю РНК, також може бути змінена для контролю загальної кількості синтезованого білка. Стабільність РНК може бути підвищена, що призводить до більш тривалого часу перебування в цитоплазмі, або зниження, що призводить до скорочення часу і меншого синтезу білка. Стабільність РНК контролюється РНК-зв'язуючими білками (RPB) і мікроРНК (miRNA). Ці RPB та miRNA зв'язуються з 5' UTR або 3' UTR РНК, щоб збільшити або зменшити стабільність РНК. Залежно від RBP стабільність може бути збільшена або значно зменшена; однак мікроНК завжди знижують стабільність і сприяють розпаду.

Глосарій

3' УР: 3' неперекладена область; область нижче за течією області, що кодує білок, в молекулі РНК, яка не перекладається
5' ковпачок: метильований гуанозинтрифосфат (GTP) молекула, яка прикріплена до 5' кінця месенджера РНК для захисту кінця від деградації
5' УР: 5' неперекладений регіон; область тільки вище за течією області, що кодує білок, в молекулі РНК, яка не перекладається
дисер: фермент, який подрібнює pre-mIRNA в зрілу форму miRNA
МікроРНК (мiРНК): малі молекули РНК (приблизно 21 нуклеотид в довжину), які зв'язуються з молекулами РНК для їх деградації
Полі-а хвіст: серія аденін-нуклеотидів, які прикріплені до 3' кінця мРНК, щоб захистити кінець від деградації
РНК-зв'язуючий білок (RBP): білок, який зв'язується з 3' або 5' UTR для збільшення або зниження стабільності РНК
Стабільність РНК: як довго молекула РНК залишатиметься неушкодженою в цитоплазмі
неперекладений регіон: сегмент молекули РНК, які не переведені в білок. Ці регіони лежать перед (вище за течією або 5') і після (нижче за течією або 3') області кодування білка
РИЗИК: білковий комплекс, який зв'язується разом з miRNA з РНК, щоб погіршити її