stringtranslate.com

Посттранскрипционная регуляция

Посттранскрипционная регуляция — это контроль экспрессии генов на уровне РНК . Она происходит после того, как РНК-полимераза присоединяется к промотору гена и синтезирует нуклеотидную последовательность. Поэтому, как следует из названия, она происходит между фазой транскрипции и фазой трансляции экспрессии генов . Эти элементы контроля имеют решающее значение для регуляции многих генов в тканях человека. [1] [2] Она также играет большую роль в физиологии клеток, будучи вовлеченной в такие патологии, как рак и нейродегенеративные заболевания. [3]

Механизм

После производства стабильность и распределение различных транскриптов регулируется (посттранскрипционная регуляция) с помощью РНК- связывающего белка (RBP), который контролирует различные этапы и скорости, контролирующие события, такие как альтернативный сплайсинг , ядерная деградация ( экзосома ), процессинг, ядерный экспорт (три альтернативных пути), секвестрация в P-телах для хранения или деградации и, в конечном итоге, трансляция . Эти белки достигают этих событий благодаря мотиву распознавания РНК (RRM), который связывает определенную последовательность или вторичную структуру транскриптов, как правило, в 5' и 3' UTR транскрипта. Короче говоря, последовательности dsRNA, которые будут разбиты на siRNA внутри организма, будут совпадать с РНК, чтобы ингибировать экспрессию гена в клетке.

Модуляция кэппинга, сплайсинга, добавления поли(А)-хвоста , специфичных для последовательности скоростей ядерного экспорта и в некоторых контекстах секвестрации транскрипта РНК происходит у эукариот , но не у прокариот . Эта модуляция является результатом белка или транскрипта, который, в свою очередь, регулируется и может иметь сродство к определенным последовательностям.

Ослабление транскрипции

Ослабление транскрипции — это тип прокариотической регуляции, который происходит только при определенных условиях. Этот процесс происходит в начале транскрипции РНК и приводит к тому, что цепь РНК обрывается до экспрессии гена. [5] Ослабление транскрипции вызвано неправильным формированием зарождающейся цепи РНК. Эта зарождающаяся цепь РНК принимает альтернативную вторичную структуру, которая не взаимодействует должным образом с РНК-полимеразой . [1] Для продолжения экспрессии гена регуляторные белки должны связываться с цепью РНК и устранять ослабление, что дорого обходится клетке. [1] [6]

У прокариот есть два механизма ослабления транскрипции: внутренняя терминация и фактор-зависимая терминация.

- В механизме внутренней терминации , также известном как Rho-независимая терминация , цепь РНК образует стабильную структуру шпильки транскрипта на 3'-конце генов, что заставляет РНК-полимеразу прекратить транскрипцию. [6] За петлей-стеблем следует бег U (поли U-хвост), который останавливает полимеразу, поэтому у шпильки РНК есть достаточно времени для формирования. Затем полимераза диссоциирует из-за слабой связи между поли U-хвостом транскрипта РНК и поли A-хвостом матрицы ДНК, что приводит к преждевременному высвобождению мРНК. Этот процесс ингибирует транскрипцию. [7] Для ясности, этот механизм называется Rho-независимым, потому что он не требует никакого дополнительного белкового фактора, как фактор-зависимая терминация, что является более простым механизмом для клетки, чтобы регулировать транскрипцию гена. [7] Примерами бактерий, у которых преобладает этот тип регуляции, являются Neisseria, Psychrobacter и Pasteurellaceae , а также большинство бактерий типа Firmicutes. [7] [6]

- В фактор-зависимой терминации , которая представляет собой комплекс белкового фактора, содержащий Rho-фактор , связан с сегментом транскрипта цепи РНК. Затем комплекс Rho начинает искать в направлении 3' приостановленную РНК-полимеразу. Если полимераза найдена, процесс немедленно останавливается, что приводит к прерыванию транскрипции РНК. [5] [6] Несмотря на то, что эта система не так распространена, как описанная выше, есть некоторые бактерии, которые используют этот тип терминации, например, оперон tna в E.coli . [7]

Этот тип регуляции неэффективен у эукариот, поскольку транскрипция происходит в ядре, а трансляция — в цитоплазме. Поэтому механизм не продолжается и не может выполняться должным образом, как если бы оба процесса происходили в цитоплазме. [8]

Регуляция, опосредованная микроРНК

МикроРНК (миРНК), по-видимому, регулируют экспрессию более 60% генов, кодирующих белки, в геноме человека. [9] Если микроРНК много, она может действовать как «переключатель», включая или выключая некоторые гены. [10] Однако измененная экспрессия многих микроРНК приводит лишь к скромному изменению экспрессии белков их целевых генов в 1,5–4 раза. [10] Отдельные микроРНК часто подавляют несколько сотен целевых генов. [9] [11] Репрессия обычно происходит либо посредством трансляционного подавления мРНК, либо посредством деградации мРНК посредством комплементарного связывания, в основном со специфическими последовательностями в 3'-нетранслируемой области мРНК целевого гена. [12] Механизм трансляционного подавления или деградации мРНК реализуется через комплекс РНК-индуцированного подавления (RISC).

Обратная связь в регуляции РНК-связывающих белков

РНК-связывающие белки (RBP) представляют собой динамические сборки между мРНК и различными белками, которые образуют комплексы рибонуклеопротеинов-мессенджеров (мРНП). [13] Эти комплексы необходимы для регуляции экспрессии генов, чтобы гарантировать, что все этапы выполняются правильно на протяжении всего процесса. Поэтому они являются важными факторами контроля уровней белков и фенотипов клеток. Более того, они влияют на стабильность мРНК, регулируя ее конформацию из-за окружающей среды, стресса или внеклеточных сигналов. [13] Однако их способность связывать и контролировать такое большое разнообразие РНК-мишеней позволяет им формировать сложные регуляторные сети (PTRN). Эти сети представляют собой проблему для изучения каждого РНК-связывающего белка по отдельности. [3] К счастью, благодаря новым методологическим достижениям идентификация RBP медленно расширяется, что демонстрирует, что они содержатся в широких семействах белков. RBP могут существенно влиять на множество биологических процессов и должны быть очень точно выражены. [7] Сверхэкспрессия может изменить скорость целевой мРНК, связываясь с низкоаффинными участками РНК и вызывая пагубные результаты для клеточной приспособленности. Неспособность синтезировать на правильном уровне также является проблемой, поскольку это может привести к гибели клетки. Таким образом, RBP регулируются посредством ауторегуляции , поэтому они контролируют свои собственные действия. Кроме того, они используют как отрицательную обратную связь , чтобы поддерживать гомеостаз, так и положительную обратную связь , чтобы создавать бинарные генетические изменения в клетке. [14]

У метазоа и бактерий многие гены, участвующие в пост-пост-транскрипционной регуляции, регулируются пост-транскрипционно. [15] [16] [17] Для RBP дрозофилы, связанных со сплайсингом или бессмысленным распадом, анализ профилей белок-белкового и белок-РНК взаимодействия выявил повсеместные взаимодействия с РНК и белковыми продуктами одного и того же гена. [17] Остается неясным, обусловлены ли эти наблюдения проксимальными рибосомами или опосредованными рибосомами контактами, или некоторые белковые комплексы, в частности РНП, подвергаются котрансляционной сборке.

Значение

Пример прокариот: Salmonella enterica (патогенная γ-протеобактерия) может экспрессировать два альтернативных порина в зависимости от внешней среды (кишечник или мутная вода), эта система включает EnvZ (осомотический сенсор), который активирует OmpR (фактор транскрипции), который может связываться с высокоаффинным промотором даже при низких концентрациях, а низкоаффинный промотор — только при высоких концентрациях (по определению): когда концентрация этого фактора транскрипции высока, он активирует OmpC и micF и ингибирует OmpF, OmpF дополнительно ингибируется посттранскрипционно РНК micF , которая связывается с транскриптом OmpF [18]

Эта область исследований недавно приобрела большую важность из-за растущего количества доказательств того, что посттранскрипционная регуляция играет большую роль, чем предполагалось ранее. Несмотря на то, что белок с доменами связывания ДНК более распространен, чем белок с доменами связывания РНК, недавнее исследование Чидла и др. (2005) показало, что во время активации Т-клеток 55% значительных изменений на уровне устойчивого состояния не имели соответствующих изменений на уровне транскрипции, что означает, что они были результатом только регуляции стабильности. [19]

Более того, РНК, обнаруженная в ядре, сложнее, чем та, что обнаружена в цитоплазме: более 95% (оснований) РНК, синтезированной РНК-полимеразой II, никогда не достигает цитоплазмы . Основная причина этого — удаление интронов , которые составляют 80% от общего числа оснований. [20] Некоторые исследования показали, что даже после обработки уровни мРНК между цитоплазмой и ядром сильно различаются. [21]

Биология развития является хорошим источником моделей регуляции, но из-за технических трудностей было легче определить каскады факторов транскрипции, чем регуляцию на уровне РНК. Фактически, известно, что несколько ключевых генов, таких как нано, связывают РНК, но часто их цели неизвестны. [22] Хотя РНК-связывающие белки могут регулировать посттранскрипционно большое количество транскриптома, нацеливание на один ген представляет интерес для научного сообщества по медицинским причинам, это РНК-интерференция и микроРНК , которые являются примерами посттранскрипционной регуляции, которые регулируют разрушение РНК и изменяют структуру хроматина. Для изучения посттранскрипционной регуляции используются несколько методов, таких как RIP-Chip ( иммунопреципитация РНК на чипе). [23]

Роль микроРНК в развитии рака

Дефицит экспрессии гена репарации ДНК встречается при многих видах рака (см. Дефект репарации ДНК и риск рака и микроРНК и репарация ДНК ). Измененная экспрессия микроРНК (миРНК), которая либо снижает точность репарации ДНК , либо увеличивает неточную микрогомологично-опосредованную репарацию концов (MMEJ), часто наблюдается при раке. Дефицит точной репарации ДНК может быть основным источником высокой частоты мутаций при раке (см. частоты мутаций при раке ). Репрессия генов репарации ДНК при раке за счет изменений уровней микроРНК может быть более частой причиной репрессии, чем мутация или эпигенетическое метилирование генов репарации ДНК.

Например, BRCA1 используется в точном пути гомологичной рекомбинационной репарации (HR). Дефицит BRCA1 может вызвать рак молочной железы. [24] Снижение регуляции BRCA1 из-за мутации происходит примерно в 3% случаев рака молочной железы. [25] Снижение регуляции BRCA1 из-за метилирования его промотора происходит примерно в 14% случаев рака молочной железы. [26] Однако повышенная экспрессия miR-182 снижает регуляцию мРНК и экспрессию белка BRCA1, [27] а повышенная miR-182 обнаруживается в 80% случаев рака молочной железы. [28]

В другом примере мутировавшая конститутивно (постоянно) экспрессируемая версия онкогена c -Myc обнаруживается во многих видах рака. Среди многих функций c-Myc негативно регулирует микроРНК miR-150 и miR-22. Эти микроРНК обычно подавляют экспрессию двух генов, необходимых для MMEJ, Lig3 и Parp1 , тем самым подавляя этот неточный, мутагенный путь репарации ДНК. Муварак и др. [29] показали, что при лейкемиях конститутивная экспрессия c-Myc, приводящая к снижению регуляции miR-150 и miR-22, допускает повышенную экспрессию Lig3 и Parp1 . Это вызывает геномную нестабильность за счет увеличения неточного восстановления ДНК MMEJ и, вероятно, способствует прогрессированию лейкемии.

Чтобы показать частую способность микроРНК изменять экспрессию репарации ДНК, Хатано и др. [30] провели крупное скрининговое исследование, в котором 810 микроРНК были трансфицированы в клетки, которые затем подвергались ионизирующему излучению (ИИ). Для 324 из этих микроРНК репарация ДНК была снижена (клетки были убиты более эффективно ИИ) после трансфекции. Для еще 75 микроРНК репарация ДНК была повышена, с меньшей гибелью клеток после ИИ. Это указывает на то, что изменения в микроРНК часто могут снижать регуляцию репарации ДНК, вероятно, важный ранний шаг в прогрессировании рака.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Alberts B (18 ноября 2014 г.). Молекулярная биология клетки (шестое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC  887605755.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  2. ^ Franks A, Airoldi E , Slavov N ​​(май 2017 г.). "Посттранскрипционная регуляция в тканях человека". PLOS Computational Biology . 13 (5): e1005535. Bibcode : 2017PLSCB..13E5535F. doi : 10.1371/journal.pcbi.1005535 . PMC 5440056. PMID  28481885 . 
  3. ^ ab Dassi E (2017). «Рукопожатия и драки: регуляторное взаимодействие РНК-связывающих белков». Frontiers in Molecular Biosciences . 4 : 67. doi : 10.3389 /fmolb.2017.00067 . PMC 5626838. PMID  29034245. 
  4. ^ Liu H, Luo M, Wen JK (май 2014). «стабильность мРНК в ядре». Журнал Чжэцзянского университета. Наука. B . 15 (5): 444–54. doi :10.1631/jzus.B1400088. PMC 4076601 . PMID  24793762. 
  5. ^ ab "Транскрипционное ослабление". www.sci.sdsu.edu . Получено 11 октября 2020 г.
  6. ^ abcd Yanofsky C (январь 2000). «Ослабление транскрипции: когда-то рассматривалось как новая стратегия регулирования». Журнал бактериологии . 182 (1): 1–8. doi : 10.1128 /jb.182.1.1-8.2000. PMC 94232. PMID  10613855. 
  7. ^ abcde Naville M, Gautheret D (ноябрь 2009 г.). «Ослабление транскрипции у бактерий: тема и вариации». Briefings in Functional Genomics & Proteomics . 8 (6): 482–92. doi : 10.1093/bfgp/elp025 . PMID  19651704.
  8. ^ "Экспрессия и регуляция генов | Изучайте науку на Scitable". www.nature.com . Получено 12 октября 2020 г.
  9. ^ ab Friedman RC, Farh KK, Burge CB, Bartel DP (2009). «Большинство мРНК млекопитающих являются консервативными мишенями микроРНК». Genome Res . 19 (1): 92–105. doi :10.1101/gr.082701.108. PMC 2612969. PMID  18955434 . 
  10. ^ аб Фарази Т.А., Спитцер Дж.И., Морозов П., Тушль Т. (2011). «миРНК при раке человека». Дж. Патол . 223 (2): 102–15. doi : 10.1002/path.2806. ПМК 3069496 . ПМИД  21125669. 
  11. ^ Lim LP, Lau NC, Garrett-Engele P, Grimson A, Schelter JM, Castle J, Bartel DP, Linsley PS, Johnson JM (2005). «Анализ микрочипов показывает, что некоторые микроРНК подавляют большое количество целевых мРНК». Nature . 433 (7027): 769–73. Bibcode :2005Natur.433..769L. doi :10.1038/nature03315. PMID  15685193. S2CID  4430576.
  12. ^ Hu W, Coller J (2012). «Что первично: трансляционная репрессия или деградация мРНК? Углубляющаяся тайна функции микроРНК». Cell Res . 22 (9): 1322–4. doi :10.1038/cr.2012.80. PMC 3434348. PMID 22613951  . 
  13. ^ ab Oliveira C, Faoro H, Alves LR, Goldenberg S (март 2017 г.). «РНК-связывающие белки и их роль в регуляции экспрессии генов у Trypanosoma cruzi и Saccharomyces cerevisiae». Genetics and Molecular Biology . 40 (1): 22–30. doi :10.1590/1678-4685-gmb-2016-0258. PMC 5409782 . PMID  28463381. 
  14. ^ "РНК-связывающие белки в ответе растений на абиотические стрессы". РНК-связывающие белки . CRC Press. 2012-08-10. стр. 137–148. doi :10.1201/9781498713368-14. ISBN 978-0-429-09007-3.
  15. ^ Ногейра Т., Спрингер М. (2000). «Посттранскрипционный контроль глобальных регуляторов экспрессии генов у бактерий». Current Opinion in Microbiology . 3 (2): 154–158. doi :10.1016/s1369-5274(00)00068-0. PMID  10744991.
  16. ^ Keene JD (2007). «РНК-регулоны: координация посттранскрипционных событий». Nature Reviews Genetics . 8 (7): 533–543. doi :10.1038/nrg2111. PMID  17572691. S2CID  5664103.
  17. ^ ab Stoiber MH, Olson S, May GE, Duff MO, Manent J, Obar R, Guruharsha KG, Artavanis-Tsakonas S, Brown JB, Graveley BR, Celniker SE (2015). "Обширная перекрестная регуляция посттранскрипционных регуляторных сетей у дрозофилы". Genome Research . 25 (11): 1692–1702. doi :10.1101/gr.182675.114. PMC 4617965 . PMID  26294687. 
  18. ^ Мимс С., Нэш А., Стивен Дж. (2001). Патогенез инфекционных заболеваний Мимса (5-е изд.). Academic Press. ISBN 978-0-12-498264-2.
  19. ^ Cheadle C, Fan J, Cho-Chung YS, Werner T, Ray J, Do L, Gorospe M, Becker KG (2005). «Контроль экспрессии генов во время активации Т-клеток: альтернативная регуляция транскрипции мРНК и стабильности мРНК». BMC Genomics . 6 : 75. doi : 10.1186/1471-2164-6-75 . PMC 1156890 . PMID  15907206. 
  20. ^ Джексон ДА, Помбо А, Иборра Ф (2000). «Баланс транскрипции: анализ метаболизма ядерной РНК в клетках млекопитающих». FASEB J. 14 ( 2): 242–54. doi : 10.1096/fasebj.14.2.242 . PMID  10657981. S2CID  23518786.
  21. ^ Schwanekamp JA, Sartor MA, Karyala S, Halbleib D, Medvedovic M, Tomlinson CR (2006). «Геномный анализ показывает, что уровни ядерной и цитоплазматической РНК по-разному подвержены влиянию диоксина». Biochim. Biophys. Acta . 1759 (8–9): 388–402. doi :10.1016/j.bbaexp.2006.07.005. PMID  16962184.
  22. ^ Гилберт С., Баррези М.Дж. (2003). Биология развития . Sinauer Associates. ISBN 0-87893-258-5.
  23. ^ Keene JD, Komisarow JM, Friedersdorf MB (2006). «RIP-Chip: изоляция и идентификация мРНК, микроРНК и белковых компонентов рибонуклеопротеиновых комплексов из клеточных экстрактов». Nat Protoc . 1 (1): 302–7. doi :10.1038/nprot.2006.47. PMID  17406249. S2CID  25925403.
  24. ^ Magdinier F, Ribieras S, Lenoir GM, Frappart L, Dante R (1998). «Понижение регуляции BRCA1 при спорадическом раке груди у человека; анализ паттернов метилирования ДНК предполагаемой области промотора». Oncogene . 17 (24): 3169–76. doi : 10.1038/sj.onc.1202248 . PMID  9872332.
  25. ^ Whittemore AS, Gong G, Itnyre J (1997). «Распространенность и вклад мутаций BRCA1 в рак молочной железы и рак яичников: результаты трех исследований рака яичников на основе популяции в США методом случай-контроль». Am. J. Hum. Genet . 60 (3): 496–504. PMC 1712497. PMID  9042908 . 
  26. ^ Райс Дж. К., Озчелик Х., Максейнер П., Андрулис И., Фучер Б. В. (2000). «Метилирование промотора BRCA1 связано с пониженными уровнями мРНК BRCA1 в клинических образцах рака молочной железы». Канцерогенез . 21 (9): 1761–5. doi : 10.1093/carcin/21.9.1761 . PMID  10964110.
  27. ^ Москва П., Буффа Ф.М., Пан Ю., Панчакшари Р., Готтипати П., Мушел Р.Дж., Бич Дж., Кулшреста Р., Абдельмохсен К., Вайнсток Д.М., Гороспе М., Харрис А.Л., Хелледей Т., Чоудхури Д. (2011). «Опосредованное миР-182 подавление BRCA1 влияет на репарацию ДНК и чувствительность к ингибиторам PARP». Мол. Клетка . 41 (2): 210–20. doi :10.1016/j.molcel.2010.12.005. ПМЦ 3249932 . ПМИД  21195000. 
  28. ^ Кришнан К., Степто А.Л., Мартин ХК, Вани С., Нонес К., Уодделл Н., Мариасегарам М., Симпсон П.Т., Лакхани С.Р., Габриэлли Б., Власов А., Клунан Н., Гриммонд С.М. (2013). «МикроРНК-182-5p нацелена на сеть генов, участвующих в репарации ДНК». РНК . 19 (2): 230–42. дои : 10.1261/rna.034926.112. ПМК 3543090 . ПМИД  23249749. 
  29. ^ Muvarak NS, Robert C, Baer MR, Perrotti D, Gambacorti-Passerini C, Civin C, Scheibner K, Rassool FV (2015). "c-MYC генерирует ошибки восстановления посредством повышенной транскрипции факторов Alternative-NHEJ, LIG3 и PARP1, при лейкозах, активируемых тирозинкиназой". Mol. Cancer Res . 13 (4): 699–712. doi :10.1158/1541-7786.MCR-14-0422. PMC 4398615. PMID  25828893 . 
  30. ^ Хатано К., Кумар Б., Чжан Ю., Коултер Дж.Б., Хедаяти М., Мирс Б., Ни Х, Кудролли Т.А., Чоудхури В.Х., Родригес Р., ДеВиз Т.Л., Лупольд С.Е. (2015). «Функциональный скрининг выявляет микроРНК, которые ингибируют репарацию ДНК и повышают чувствительность клеток рака простаты к ионизирующему излучению». Нуклеиновые кислоты Рез . 43 (8): 4075–86. дои : 10.1093/nar/gkv273. ПМЦ 4417178 . ПМИД  25845598. 

Внешние ссылки