10.4: Деталі обробки еукаріотичної мРНК
- Page ID
- 6060
Первинні стенограми еукаріотичної мРНК проходять велику обробку, включаючи сплайсинг, укупорку та поліаденілювання. Описані тут кроки розглядаються в порядку (іноді перекриття!) виникнення. Ми починаємо з зрощування, явища мРНК.
A. спліцесомальні інтрони
Регіони кодування генів бактерій є безперервними. Відкриття еукаріотичних розщеплених генів з інтронами та екзонами стало досить несподіванкою. Мало того, що еволюція здавалася невідповідною, щоб застрягла нерелевантна ДНК в середині кодування ДНК, ніхто не міг придумати таку річ! За відкриття розщеплених генів Річард Робертс і Філіп А.Шарп розділили Нобелівську премію з фізіології в 1993 році. Насправді, всі, крім декількох генів еукаріотів, розщеплені, а деякі мають один, два (або більше 30-50!) інтрони, що розділяють біти кодування ДНК, екзони. Зрощування підсумовано нижче.
Сплайсинг включає в себе ряд дрібних рибонуядерних білків (SNRNP). SNRNP - це частинки, що складаються з РНК і білків. Вони зв'язуються з конкретними ділянками в мРНК, а потім направляють послідовний ряд розрізів і перев'язки (зрощування), необхідних для обробки мРНК.
Роль SNRNP у зрощуванні попередніх МРНК проілюстрована нижче.
SnRnP зв'язування з парою місць зрощування, що фланкують інтрон в попередньо мРНК, утворює сплайцеосому, яка завершує зрощування, включаючи видалення ларіату (проміжна структура інтрона). Останнім кроком є лігування екзонів у безперервну мРНК з усіма її кодонами неушкодженими та готовими до перекладу. Дія спліцеосом коротко викладено нижче.
194 Відкриття розщеплених генів
B. специфічні ядерні тіла та пов'язані з ними білки сприяють збірці та функціонуванню SNRNP
Нагадаємо, організації ядер сприяють ядерні тіла. Тіла Cajal (CBs) і дорогоцінні камені є ядерні тіла, які схожі за розміром і мають пов'язані функції при складанні спліцеосомальних SNRNP. Деякі дефекти зрощування корелюють з мутаціями в білку котушки, які асоціюються з тілами Кахаля; інші корелюють з мутаціями в білках SMN, які зазвичай асоціюються з Gems. Гіпотеза полягала в тому, що CBs та Gems взаємодіють у SnRnP та збірці сплайсеосом..., але як? Розглянемо результати експерименту, в якому антитіла до койліну і білку СМН локалізувалися в недиференційованих і диференційованих клітині нейробластоми.
А і С - недиференційовані клітини в культурі; B і D - клітини, які були стимульовані до диференціації. На флуоресцентних мікрофотографіях праворуч стрілки вказують на флуоресцентні ядерні тіла. Білок койліну пов'язаний з CBs, а SMN міститься в Gems. Тому ми очікуємо, що флуоресцентні антитіла до койліну (зелений) будуть локалізуватися до CBs, а антитіла до білка SMN (червоний) зв'яжуться з самоцвітами. Саме це відбувається в ядрах недиференційованих клітин (панель С). Але в панелі D два антитіла колокалізуються, припускаючи, що CBs і Gems агрегуються в диференційованих клітині. Це пояснило б необхідність як функціонального койліну, так і білка SMN для виробництва функціональних SNRNP. CBs і Gems можуть агрегуватися в диференційованих клітині через спостерігається збільшення експресії білка SMN. Це може призвести до більш активних дорогоцінних каменів, більш здатних асоціюватися з CBs.
Цей та подібні експерименти демонструють, що різні ядерні тіла мають певні функції. Вони не є випадковими структурними артефактами, еволюціонували для організації ядерної діяльності у часі та просторі способами, які є важливими для клітини.
C. Самозрощувальні інтрони групи I та групи II
У той час як еукаріотичні спліцеосомальні інтрони зрощуються за допомогою SNRNP, як описано вище, інтрони групи I або групи II видаляються різними механізмами. Інтрони I групи переривають гени мРНК і тРНК у бактерій, а також в генах мітохондрій і хлоропластів. Вони зрідка зустрічаються в генах бактеріофагів, але рідко в ядерних генах, а потім тільки у нижчих еукаріотів. Інтрони I групи - це самозрощування! Таким чином, вони є рибоцимами, які не потребують SNRNP або інших білків. Натомість вони складаються у вторинну структуру стовбурової петлі, яка розміщує каталітичні нуклеотиди у відповідних місцях зрощування, самі акцизи та повторно лігують екзони. Інтрони II групи в хлоропласті та мітохондріальної рНК, мРНК, тРНК та деяких бактеріальних мРНК можуть бути досить довгими, утворювати складні третинні структури стовбурової петлі та самозрощуватися, принаймні в пробірці! Однак інтрони групи II кодують білки, необхідні для власного зрощування in vivo. Як і спліцеосомальні інтрони, вони утворюють ларіатну структуру на місці відгалуження залишків А. Все це говорить про те, що механізм сплайцеосомального інтронного сплайсингу еволюціонував від механізму інтронів II групи.
D. Отже, чому зрощування?
Головоломка, що мається на увазі питання, звичайно, полягає в тому, чому вищі організми мають розділені гени в першу чергу. Хоча наступне обговорення може застосовуватися до всіх сплайсингу, воно буде посилатися в основному spliceosomal introns. Ось кілька відповідей на питання «Навіщо зрощування?»
- Інтрони в ядерних генах, як правило, довші (часто набагато довше!) ніж екзони. Оскільки вони не кодують, вони є великими мішенями для мутації. По суті, некодуюча ДНК, включаючи інтрони, може буферувати шкідливі ефекти випадкових мутацій.
- Ви можете згадати, що дублювання генів на одній хромосомі (і втрата копії з її гомолога) виникають внаслідок нерівної рекомбінації (негомологічного схрещування). Він виникає, коли подібні послідовності ДНК вирівнюються під час синапсису мейозу. В організмі, який успадковує хромосому з обома копіями генів, дублікат може накопичувати мутації до тих пір, поки інший зберігає початкову функцію. Потім розходяться ген стає частиною пулу селективної ДНК, грист еволюції, у нащадків організмів, які успадковують дубльовані гени, збільшуючи видове різноманіття. Нерівна рекомбінація також може відбуватися між подібними послідовностями (наприклад, в інтрони) в одних і тих же або різних генах. Інтрони також можуть дозволити обмін екзонами між генами. Після нерівної рекомбінації між інтронами, що фланкують екзон, один ген придбає інший екзон, а інший втратить його. Знову ж таки, поки організм зберігає копію генів-учасників з оригінальною функцією, організм може зробити необхідний білок і вижити. Тим часом ген з додатковим екзоном може виробляти той самий білок, але один з новим структурним доменом і функцією. Як і повний дублікат гена, один з новим екзоном і доданою функцією знаходиться в пулі селекційної ДНК. Таким чином, це явище перетасування екзонів збільшує видове різноманіття! Докази вказують на те, що відбулося перетасування екзонів, створюючи білки з різними загальними функціями, які, тим не менш, поділяють принаймні один домен та одну загальну функцію. Розглянутий раніше приклад включає в себе кальцій зв'язують білки, які регулюють багато клітинні процеси. Структурно пов'язані домени зв'язування кальцію (Ca++) є загальними для багатьох інакше структурно і функціонально не пов'язаних білків. Розглянемо перетасування екзонів в нерівному кросовері (негомологічна рекомбінація), проілюстрованому нижче.
У цьому прикладі області сильної подібності в різних (негомологічних) інтрони в одному гені вирівнюються під час синапсису мейозу. Нерівне схрещування між генами вставляє екзон С в один з генів. Інший ген втрачає екзон (не показаний на ілюстрації). Загалом, інтрони є буферами проти шкідливих мутацій, і однаково цінні, є потенційними мішенями для дублювання генів та перетасування екзонів. Це робить інтрони ключовими гравцями у створенні генетичного різноманіття, відмінною рисою еволюції.
Е. закупорювання
Метилгуанозиновий ковпачок додав 5 «до 5» до функцій мРНК частково, щоб допомогти мРНК покинути ядро та асоціюватися з рибосомами. Ковпачок додається до відкритого 5' кінця, навіть як транскрипція і сплайсинг все ще триває. Фермент, що закупорює, поміщає метильований залишок гуанозину на 5'-кінці зрілої мРНК. 5' структура ковпачка показана нижче (галочками є 5'-3' зв'язані нуклеотиди).
F. поліаденілювання
Після припинення транскрипції полі (А) полімераза каталізує додавання декількох залишків AMP (кілька сотень у деяких випадках) до 3' кінцевої частини ферментом. Фермент зв'язується з послідовністю AAUAA поблизу 3' кінця мРНК і починає каталізувати додавання аденозинмонофосфатів. Сайт розпізнавання AAUAA poly (A) позначений червоним кольором на ілюстрації поліаденілювання, показаної нижче.
Результатом поліаденілювання є 3' полі (А) хвіст, функції якого включають сприяння транзиту мРНК з ядра та регулювання періоду напіввиведення мРНК у цитоплазмі. Полі (А) хвіст скорочується щоразу, коли рибосома завершує переклад мРНК.