Биогенез рибосом – это процесс образования рибосом . У прокариот этот процесс происходит в цитоплазме с транскрипцией многих оперонов рибосомных генов . У эукариот он происходит как в цитоплазме , так и в ядрышке . Он включает в себя скоординированную функцию более 200 белков при синтезе и процессинге трех прокариотических или четырех эукариотических рРНК , а также сборку этих рРНК с рибосомальными белками. Большинство рибосомальных белков относятся к различным семействам энергозатратных ферментов, включая АТФ-зависимые РНК- хеликазы , ААА-АТФазы , ГТФазы и киназы . [1] Около 60% энергии клетки расходуется на производство и поддержание рибосом. [2]
Биогенез рибосом — это очень жестко регулируемый процесс, тесно связанный с другими клеточными действиями, такими как рост и деление. [3] [4]
Некоторые предполагают, что в зарождении жизни биогенез рибосом предшествует клеткам и что гены и клетки эволюционировали для усиления репродуктивной способности рибосом. [5]
Рибосомы — это макромолекулярные машины, которые отвечают за трансляцию мРНК в белки. Рибосома эукариот, также называемая рибосомой 80S, состоит из двух субъединиц: большой субъединицы 60S (которая содержит 25S [у растений] или 28S [у млекопитающих], 5,8S и 5S рРНК и 46 рибосомальных белков) и небольшая субъединица 40S (которая содержит 18S рРНК и 33 рибосомальных белка). [6] Рибосомальные белки кодируются рибосомальными генами.
Существует 52 гена, кодирующих рибосомальные белки, и их можно найти в 20 оперонах ДНК прокариот. Регуляция синтеза рибосом зависит от регуляции самой рРНК .
Во-первых, снижение аминоацил-тРНК заставит прокариотические клетки реагировать снижением транскрипции и трансляции . Это происходит в несколько этапов, начиная с жестких факторов, связывающихся с рибосомами и катализирующих реакцию:
GTP + АТФ --> pppGpp + AMP.
Затем γ-фосфат удаляется, и ppGpp связывается с РНК-полимеразой и ингибирует ее. Это связывание вызывает снижение транскрипции рРНК. Уменьшенное количество рРНК означает, что рибосомальные белки (r-белки) будут транслироваться, но не будут иметь рРНК, с которой можно было бы связаться. Вместо этого они образуют отрицательную обратную связь и связываются со своей собственной мРНК, подавляя синтез r-белка. Обратите внимание, что r-белки преимущественно связываются с комплементарной им рРНК, если она присутствует, а не с мРНК.
Опероны рибосомы также включают гены РНК-полимеразы и факторов элонгации (используемых при трансляции РНК). Регуляция всех этих генов одновременно иллюстрирует связь между транскрипцией и трансляцией у прокариот.
Синтез рибосомального белка у эукариот является основной метаболической деятельностью. Как и большинство синтезов белков, он происходит в цитоплазме сразу за ядром. Отдельные рибосомальные белки синтезируются и импортируются в ядро через ядерные поры . Дополнительную информацию о перемещении рибосомальных белков в ядро см . в разделе «Ядерный импорт» .
ДНК транскрибируется с высокой скоростью в ядрышке , которое содержит все гены 45S рРНК. Единственным исключением является 5S рРНК, которая транскрибируется вне ядрышка . После транскрипции рРНК связываются с рибосомными белками, образуя два типа рибосомальных субъединиц (большие и малые). Позже они соберутся в цитозоле и образуют функционирующую рибосому. См. раздел «Ядерный экспорт» , чтобы узнать больше о перемещении субъединиц рибосом из ядра. [11]
Эукариотические клетки совместно транскрибируют три зрелых вида рРНК посредством ряда этапов. Процесс созревания рРНК и процесс рекрутирования r-белков происходят в рибосомальных частицах-предшественниках, иногда называемых прерибосомами, и происходят в ядрышке , нуклеоплазме и цитоплазме . Дрожжи S. cerevisiae являются модельным эукариотическим организмом для изучения биогенеза рибосом. Биогенез рибосом начинается в ядрышке . Там 35S пре-РНК транскрибируется из рибосомных генов в виде полицистронного транскрипта с помощью РНК-полимеразы I и процессируется в субъединицы 18S, 5,8S и 25S рРНК. [1] [3]
Транскрипция полимеразы I начинается с инициирующего комплекса Pol I, который связывается с промотором рДНК . Для формирования этого комплекса требуется помощь вышестоящего активирующего фактора или UAF, который связывается с белком, связывающим ТАТА-бокс, и основным фактором (CF). Вместе два фактора транскрипции позволяют комплексу РНК pol I связываться с фактором инициации полимеразы I, Rrn3. По мере образования транскрипта pol I примерно 75 небольших ядрышковых рибонуклеочастиц (snoRNP) способствуют котранскрипционным ковалентным модификациям более 100 остатков рРНК. Эти snoRNP контролируют метилирование нуклеотидов 2'-O-рибозы, а также способствуют созданию псевдоуридинов . [1] На 5'-конце транскриптов рРНК небольшие субъединичные рибосомальные белки (Rps) и нерибосомальные факторы собираются с транскриптами пре-РНК, образуя шарообразные выступы. Эти выступы являются первыми прерибосомальными частицами на пути малых (40S) рибосомальных субъединиц. [1] Транскрипт рРНК расщепляется в сайте А2, и это отделяет раннюю 40S прерибосому от оставшейся пре-рРНК, которая будет объединяться с рибосомными белками с большой субъединицей (Rpl) и другими нерибосомальными факторами для создания пре-рРНК. 60S рибосомальные частицы. [1]
Транскрипционная сборка предшественника субъединицы 40S , иногда называемая процессомом малой субъединицы (SSU) или частицей 90S, происходит иерархическим образом - по существу, поэтапное включение субкомплексов UTP-A, UTP-B и UTP-C. Эти подкомплексы состоят из более чем 30 нерибосомальных белковых факторов, частицы snoRNP U3, нескольких белков Rps и 35S пре-рРНК. Их точная роль, однако, не была обнаружена. [3] Состав частиц pre-40S резко меняется после того, как происходит расщепление по U3-snoRNPA-зависимым сайтам (сайты A0, A1 и A2). Это событие расщепления создает пре-рРНК 20S и заставляет рибосомальные факторы диссоциировать от частицы pre-40S. U3 вытесняется из возникшего 40S геликазой Dhr1. [12] На этом этапе процесса биогенеза рибосомы прерибосома 40S уже демонстрирует структуры «головы» и «тела» зрелой субъединицы 40S. Прерибосома 40S транспортируется из ядрышка в цитоплазму. Цитоплазматическая 40S прерибосома теперь содержит рибосомальные белки, 20s рРНК и несколько нерибосомальных факторов. Окончательное формирование структуры «клюва» субъединицы 40S происходит после события фосфорилирования и дефосфорилирования с участием комплекса Enp1-Ltv1-Rps3 и киназы Hrr25. Расщепление 20S пре-рРНК в D-сайте приводит к образованию зрелой 18s-рРНК. Это событие расщепления зависит от нескольких нерибосомальных факторов, таких как Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 и Fap7. [1]
Для созревания субъединицы pre-60S в зрелую субъединицу 60S требуется множество факторов биогенеза, которые связывают и диссоциируют. Кроме того, некоторые факторы сборки связаны с субъединицей 60S, тогда как другие взаимодействуют с ней лишь временно. В качестве общей тенденции созревание субъединицы до 60S характеризуется постепенным уменьшением сложности. Субъединица созревает по мере перемещения из ядрышка в цитоплазму, и постепенно количество транс-действующих факторов уменьшается. [3] Для созревания субъединицы 60S требуется участие около 80 факторов. Восемь из этих факторов непосредственно вовлечены в процессинг пре-рРНК 27S A3, который фактически завершает формирование зрелого 5'-конца 5,8S рРНК. Факторы А3 связываются с удаленными участками пре-РНК, а также друг с другом. Впоследствии они сближают участки рРНК и способствуют процессингу пре-рРНК и рекрутированию рибосомальных белков. Три АТФазы типа ААА работают над удалением факторов из созревающей прерибосомы 60S. Одна из АТФаз представляет собой динеинподобный белок Rea1, состоящий из 6 различных доменов АТФазы, образующих кольцевую структуру. Кольцевая структура прикреплена к гибкому хвосту, который имеет кончик MIDAS (место ионно-зависимой адгезии металла). Rea1 взаимодействует с прерибосомой 60S через свое кольцо, в то время как два субстрата , Ytm1 и Rsa1, взаимодействуют с Rea1 через кончик MIDAS. Роль этих субстратов еще не определена. Однако оба, вместе с их взаимодействиями, удаляются в процессе созревания прерибосомы 60S. Две другие АТФазы, Rix7 и Drg1, также действуют, удаляя факторы сборки из созревающей субъединицы 60S. Хеликазы и ГТФазы также участвуют в удалении факторов сборки и перестройке РНК с образованием завершенной субъединицы 60S. Попав в цитоплазму (см. ядерный экспорт), субъединица 60S подвергается дальнейшему процессингу, чтобы стать функциональной. Остальная часть крупных субъединиц рибосомальных частиц связывается с единицей 60S, а остальные нерибосомальные факторы сборки диссоциируют. Высвобождение факторов биогенеза опосредовано главным образом ГТФазами, такими как Lsg1, и АТФазами, такими как Drg1. Точная последовательность этих событий остается неясной. Путь созревания цитоплазмы 60S остается неполным, насколько это известно в настоящее время. [3]
Для того чтобы прерибосомальные единицы полностью созрели, они должны быть экспортированы в цитоплазму . Чтобы эффективно перемещаться из ядрышка в цитоплазму, прерибосомы взаимодействуют с экспортными рецепторами, перемещаясь через гидрофобный центральный канал комплекса ядерных пор. [3] Кариоферин Crm1 является рецептором для обеих рибосомальных субъединиц и опосредует экспорт Ran-GTP- зависимым образом. Он распознает молекулы, которые имеют богатые лейцином сигналы ядерного экспорта. Crm1 притягивается к большой субъединице 60S с помощью адаптерного белка Nmd3. Адаптерный белок для блока 40S неизвестен. Помимо Crm1, в ядерном экспорте прерибосом играют роль и другие факторы. Общий рецептор экспорта мРНК, называемый Mex67, а также белок, содержащий HEAT-повторения, Rrp12, облегчают экспорт обеих субъединиц. Эти факторы являются несущественными белками и помогают оптимизировать экспорт прерибосом, поскольку они представляют собой большие молекулы. [3]
Поскольку рибосомы настолько сложны, определенное количество рибосом собираются неправильно и потенциально могут тратить клеточную энергию и ресурсы при синтезе нефункциональных белков. Чтобы предотвратить это, клетки имеют активную систему наблюдения, которая распознает поврежденные или дефектные рибосомы и направляет их на деградацию. Существует механизм наблюдения для обнаружения нефункциональных прерибосом, а также нефункциональных зрелых рибосом. Кроме того, система наблюдения обеспечивает необходимое оборудование для деградации и фактически деградирует нефункциональные рибосомы. [1] Прерибосомы, которые накапливаются в ядре, разрушаются экзосомой , которая представляет собой мультисубъединичный комплекс с экзонуклеазной активностью. Если дефектные рибосомальные субъединицы все-таки выходят из ядрышка в цитоплазму, там имеется вторая система наблюдения, которая нацеливается на неисправные рибосомы в цитоплазме для их деградации. Определенные мутации в остатках большой субъединицы рибосомы фактически приводят к распаду РНК и, следовательно, к деградации этой единицы. Поскольку количество возможных дефектов при сборке рибосом настолько велико, до сих пор неизвестно, как система надзора обнаруживает все дефекты, но предполагается, что вместо того, чтобы нацеливаться на конкретные дефекты, система надзора распознает последствия этих дефектов. – например, задержки сборки. Это означает, что если произойдет нарушение сборки или созревания зрелой рибосомы, система наблюдения будет действовать так, как будто субъединица неисправна. [3]
Мутации в биогенезе рибосом связаны с несколькими генетическими заболеваниями рибосомопатии человека , включая наследственные синдромы недостаточности костного мозга, которые характеризуются предрасположенностью к раку и уменьшенным количеством клеток крови. Рибосомальная дисрегуляция также может играть роль в атрофии мышц . [13]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )