stringtranslate.com

Рибосвитч

Трехмерное изображение рибопереключателя лизина

В молекулярной биологии рибосвитч — это регуляторный сегмент молекулы информационной РНК , который связывает малую молекулу , что приводит к изменению продукции белков , кодируемых мРНК. [1] [2] [3] [4] Таким образом, мРНК, содержащая рибосвитч, напрямую участвует в регуляции собственной активности в ответ на концентрации своей эффекторной молекулы. Открытие того, что современные организмы используют РНК для связывания малых молекул и дискриминации близкородственных аналогов, расширило известные природные возможности РНК за пределы ее способности кодировать белки , катализировать реакции или связывать другие РНК или макромолекулы белка .

Первоначальное определение термина «рибосвитч» указывало, что они напрямую ощущают концентрации метаболитов малых молекул. [5] Хотя это определение остается общепринятым, некоторые биологи использовали более широкое определение, которое включает другие цис-регуляторные РНК . Однако в этой статье будут обсуждаться только рибосвитчи, связывающие метаболиты.

Большинство известных рибопереключателей встречаются в бактериях , но функциональные рибопереключатели одного типа ( рибопереключатель TPP ) были обнаружены в археях, растениях и некоторых грибах . Рибопереключатели TPP также были предсказаны в археях , [6], но не были экспериментально проверены.

История и открытия

До открытия рибопереключателей механизм, посредством которого регулируются некоторые гены, вовлеченные в множественные метаболические пути, оставался загадочным. Накапливающиеся доказательства все больше предполагали беспрецедентную на тот момент идею о том, что вовлеченные мРНК могут напрямую связывать метаболиты, чтобы влиять на их собственную регуляцию. Эти данные включали консервативные вторичные структуры РНК , часто обнаруживаемые в нетранслируемых областях ( UTR ) соответствующих генов, и успех процедур по созданию искусственных малых молекул-связывающих РНК, называемых аптамерами . [7] [8] [9] [10] [11] В 2002 году были опубликованы первые всеобъемлющие доказательства множественных классов рибопереключателей, включая анализы связывания без белка, и рибопереключатели, связывающие метаболиты, были установлены как новый механизм регуляции генов. [5] [12] [13] [14]

Многие из самых ранних обнаруженных рибопереключателей соответствовали консервативным последовательностям «мотивов» (паттернов) в 5' UTR , которые, по-видимому, соответствовали структурированной РНК. Например, сравнительный анализ областей выше по течению нескольких генов, которые, как ожидалось, должны были совместно регулироваться, привел к описанию S-box [15] (теперь рибопереключатель SAM-I), THI-box [9] (область внутри рибопереключателя TPP), элемента RFN [8] (теперь рибопереключатель FMN) и B 12 -box [16] (часть рибопереключателя кобаламина), а в некоторых случаях экспериментально продемонстрировали, что они участвуют в регуляции генов через неизвестный механизм. Биоинформатика сыграла свою роль в более поздних открытиях, с ростом автоматизации базовой стратегии сравнительной геномики . Barrick et al. (2004) [17] использовали BLAST для поиска UTR, гомологичных всем UTR в Bacillus subtilis . Некоторые из этих гомологичных наборов были проверены на предмет консервативной структуры, что привело к 10 РНК-подобным мотивам. Три из них были позже экспериментально подтверждены как рибопереключатели glmS, глицин и PreQ1-I (см. ниже). Последующие сравнительные геномные усилия с использованием дополнительных таксонов бактерий и улучшенных компьютерных алгоритмов выявили дополнительные рибопереключатели, которые были экспериментально подтверждены, а также консервативные структуры РНК, которые, как предполагается, функционируют как рибопереключатели. [18] [19] [20]

Механизмы

Рибосвитчи часто концептуально делятся на две части: аптамер и платформу экспрессии. Аптамер напрямую связывает малую молекулу, а платформа экспрессии претерпевает структурные изменения в ответ на изменения в аптамере. Платформа экспрессии — это то, что регулирует экспрессию генов.

Платформы экспрессии обычно выключают экспрессию гена в ответ на малую молекулу, но некоторые ее включают. Следующие механизмы рибопереключателя были экспериментально продемонстрированы.

Типы

Вторичная структура пуринового рибопереключателя из Bacillus subtilis

Ниже приведен список экспериментально подтвержденных рибопереключателей, организованный по лигандам.

Предполагаемые рибопереключатели:

Кандидаты на связывание метаболитов рибопереключателями были идентифицированы с помощью биоинформатики и имеют умеренно сложные вторичные структуры и несколько высококонсервативных позиций нуклеотидов , поскольку эти особенности типичны для рибопереключателей, которые должны специфически связывать малую молекулу. Кандидаты на связывание метаболитов также последовательно расположены в 5' UTR генов, кодирующих белки, и эти гены предполагают связывание метаболитов, поскольку они также являются особенностями большинства известных рибопереключателей. Предполагаемые кандидаты на связывание метаболитов рибопереключателей, в высокой степени соответствующие предыдущим критериям, следующие: мотив РНК crcB , мотив РНК manA , мотив РНК pfl , лидер ydaO/yuaA , мотив РНК yjdF , лидер ykkC-yxkD (и связанный мотив РНК ykkC-III) и лидер yybP-ykoY . Функции этих гипотетических рибопереключателей остаются неизвестными.

Вычислительные модели

Рибосвитчи также исследовались с использованием подходов in-silico. [29] [30] [31] В частности, решения для прогнозирования рибосвитчей можно разделить на две большие категории:

Инструмент SwiSpot [39] каким-то образом охватывает обе группы, поскольку он использует конформационные прогнозы для оценки наличия рибопереключателей.

Гипотеза мира РНК

Рибопереключатели демонстрируют, что природная РНК может специфически связывать малые молекулы, способность, которую многие ранее считали областью белков или искусственно сконструированных РНК, называемых аптамерами . Таким образом, существование рибопереключателей во всех доменах жизни добавляет некоторую поддержку гипотезе мира РНК , которая утверждает, что жизнь изначально существовала, используя только РНК, а белки появились позже; эта гипотеза требует, чтобы все критические функции, выполняемые белками (включая связывание малых молекул), могли выполняться РНК. Было высказано предположение, что некоторые рибопереключатели могут представлять собой древние регуляторные системы или даже остатки рибозимов мира РНК , чьи связывающие домены сохраняются. [13] [18] [40]

В качестве мишеней для антибиотиков

Рибосвитчи могут быть целью для новых антибиотиков . Действительно, было показано, что некоторые антибиотики, механизм действия которых был неизвестен в течение десятилетий, действуют, воздействуя на рибосвитчи. [41] Например, когда антибиотик пиритиамин попадает в клетку, он метаболизируется в пиритиаминпирофосфат. Было показано, что пиритиаминпирофосфат связывает и активирует рибосвитч TPP, заставляя клетку прекратить синтез и импорт TPP. Поскольку пиритиаминпирофосфат не заменяет TPP в качестве кофермента, клетка погибает.

Разработанные рибопереключатели

Поскольку рибопереключатели являются эффективным методом контроля экспрессии генов в природных организмах, возник интерес к разработке искусственных рибопереключателей [42] [43] [44] [45] для промышленных и медицинских применений, таких как генная терапия . [46] [47]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нудлер Э., Миронов АС (январь 2004 г.). «Контроль рибопереключателя метаболизма бактерий». Тенденции в биохимических науках . 29 (1): 11–17. doi :10.1016/j.tibs.2003.11.004. PMID  14729327.
  2. ^ Tucker BJ, Breaker RR (июнь 2005 г.). «Рибопереключатели как универсальные элементы управления генами». Current Opinion in Structural Biology . 15 (3): 342–348. doi :10.1016/j.sbi.2005.05.003. PMID  15919195.
  3. ^ Витрещак АГ, Родионов ДА, Миронов АА, Гельфанд МС (январь 2004). «Рибопереключатели: древнейший механизм регуляции экспрессии генов?». Тенденции в генетике . 20 (1): 44–50. CiteSeerX 10.1.1.312.9100 . doi :10.1016/j.tig.2003.11.008. PMID  14698618. 
  4. ^ Batey RT (июнь 2006 г.). «Структуры регуляторных элементов в мРНК». Current Opinion in Structural Biology . 16 (3): 299–306. doi :10.1016/j.sbi.2006.05.001. PMID  16707260.
  5. ^ ab Nahvi A, Sudarsan N, Ebert MS, Zou X, Brown KL, Breaker RR (сентябрь 2002 г.). «Генетический контроль с помощью связывания метаболита с мРНК». Химия и биология . 9 (9): 1043–1049. doi : 10.1016/S1074-5521(02)00224-7 . PMID  12323379.
  6. ^ Sudarsan N, Barrick JE, Breaker RR (июнь 2003 г.). «Метаболит-связывающие РНК-домены присутствуют в генах эукариот». РНК . 9 (6): 644–647. doi :10.1261/rna.5090103. PMC 1370431 . PMID  12756322. 
  7. ^ Nou X, Kadner RJ (июнь 2000 г.). «Аденозилкобаламин ингибирует связывание рибосомы с РНК btuB». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (13): 7190–7195. Bibcode : 2000PNAS...97.7190N. doi : 10.1073/pnas.130013897 . PMC 16521. PMID  10852957 . 
  8. ^ ab Гельфанд М.С., Миронов А.А., Йомантас Дж, Козлов Ю.И., Перумов Д.А. (ноябрь 1999 г.). «Консервативный элемент структуры РНК, участвующий в регуляции генов синтеза бактериального рибофлавина». Тенденции в генетике . 15 (11): 439–442. дои : 10.1016/S0168-9525(99)01856-9. ПМИД  10529804.
  9. ^ ab Miranda-Ríos J, Navarro M, Soberón M (август 2001 г.). «Консервативная структура РНК (thi box) участвует в регуляции экспрессии генов биосинтеза тиамина у бактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (17): 9736–9741. doi : 10.1073/pnas.161168098 . PMC 55522. PMID  11470904 . 
  10. ^ Stormo GD, Ji Y (август 2001 г.). «Действуют ли мРНК как прямые сенсоры малых молекул для управления их экспрессией?». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (17): 9465–9467. Bibcode : 2001PNAS...98.9465S. doi : 10.1073/pnas.181334498 . PMC 55472. PMID  11504932 . 
  11. ^ Gold L, Brown D, He Y, Shtatland T, Singer BS, Wu Y (январь 1997 г.). «От форм олигонуклеотидов к геномному SELEX: новые биологические регуляторные петли». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (1): 59–64. Bibcode : 1997PNAS...94...59G. doi : 10.1073/pnas.94.1.59 . PMC 19236. PMID  8990161 . 
  12. ^ Миронов А.С., Гусаров И., Рафиков Р., Лопес Л.Е., Шаталин К., Кренева Р.А., Перумов Д.А., Нудлер Э. (ноябрь 2002 г.). «Ощущение малых молекул с помощью зарождающейся РНК: механизм контроля транскрипции у бактерий». Клетка . 111 (5): 747–756. дои : 10.1016/S0092-8674(02)01134-0 . ПМИД  12464185.
  13. ^ ab Winkler W, Nahvi A, Breaker RR (октябрь 2002 г.). «Производные тиамина напрямую связывают матричные РНК, чтобы регулировать экспрессию бактериальных генов». Nature . 419 (6910): 952–956. Bibcode :2002Natur.419..952W. doi :10.1038/nature01145. PMID  12410317. S2CID  4408592.
  14. ^ Winkler WC, Cohen-Chalamish S, Breaker RR (декабрь 2002 г.). «Структура мРНК, которая контролирует экспрессию генов путем связывания FMN». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (25): 15908–15913. Bibcode : 2002PNAS...9915908W. doi : 10.1073 /pnas.212628899 . PMC 138538. PMID  12456892. 
  15. ^ Grundy FJ, Henkin TM (ноябрь 1998 г.). «S box regulon: новая глобальная система контроля терминации транскрипции для генов биосинтеза метионина и цистеина у грамположительных бактерий». Molecular Microbiology . 30 (4): 737–749. doi : 10.1046/j.1365-2958.1998.01105.x . PMID  10094622.
  16. ^ Franklund CV, Kadner RJ (июнь 1997 г.). «Множественные транскрибируемые элементы контролируют экспрессию гена btuB Escherichia coli». Журнал бактериологии . 179 (12): 4039–4042. doi :10.1128/jb.179.12.4039-4042.1997. PMC 179215. PMID  9190822 . 
  17. ^ Barrick JE, Corbino KA, Winkler WC, Nahvi A, Mandal M, Collins J, Lee M, Roth A, Sudarsan N, Jona I, Wickiser JK, Breaker RR (апрель 2004 г.). «Новые мотивы РНК предполагают расширенную сферу применения рибопереключателей в бактериальном генетическом контроле». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (17): 6421–6426. Bibcode : 2004PNAS..101.6421B. doi : 10.1073/pnas.0308014101 . PMC 404060. PMID  15096624 . 
  18. ^ ab Corbino KA, Barrick JE, Lim J, Welz R, Tucker BJ, Puskarz I, Mandal M, Rudnick ND, Breaker RR (2005). "Доказательства второго класса рибопереключателей S-аденозилметионина и других регуляторных мотивов РНК у альфа-протеобактерий". Genome Biology . 6 (8): R70. doi : 10.1186/gb-2005-6-8-r70 . PMC 1273637 . PMID  16086852. 
  19. ^ Weinberg Z, Barrick JE, Yao Z, Roth A, Kim JN, Gore J, Wang JX, Lee ER, Block KF, Sudarsan N, Neph S, Tompa M, Ruzzo WL, Breaker RR (2007). «Идентификация 22 структурированных РНК-кандидатов в бактериях с использованием сравнительного геномного конвейера CMfinder». Nucleic Acids Research . 35 (14): 4809–4819. doi :10.1093/nar/gkm487. PMC 1950547. PMID  17621584 . 
  20. ^ Weinberg Z, Wang JX, Bogue J, Yang J, Corbino K, Moy RH, Breaker RR (март 2010 г.). «Сравнительная геномика выявила 104 кандидата на структурированные РНК из бактерий, архей и их метагеномов». Genome Biology . 11 (3): R31. doi : 10.1186/gb-2010-11-3-r31 . PMC 2864571 . PMID  20230605. 
  21. ^ Cheah MT, Wachter A, Sudarsan N, Breaker RR (май 2007 г.). «Контроль альтернативного сплайсинга РНК и экспрессии генов эукариотическими рибопереключателями». Nature . 447 (7143): 497–500. Bibcode :2007Natur.447..497C. doi :10.1038/nature05769. PMID  17468745. S2CID  4393918.
  22. ^ Wachter A, Tunc-Ozdemir M, Grove BC, Green PJ, Shintani DK, Breaker RR (ноябрь 2007 г.). «Контроль рибопереключателем экспрессии генов в растениях путем сплайсинга и альтернативной обработки 3'-конца мРНК». The Plant Cell . 19 (11): 3437–3450. doi :10.1105/tpc.107.053645. PMC 2174889 . PMID  17993623. 
  23. ^ Bocobza S, Adato A, Mandel T, Shapira M, Nudler E, Aharoni A (ноябрь 2007 г.). «Регуляция генов, зависящая от рибопереключателя, и ее эволюция в растительном мире». Genes & Development . 21 (22): 2874–2879. doi :10.1101/gad.443907. PMC 2049190. PMID 18006684  . 
  24. ^ André G, Even S, Putzer H, Burguière P, Croux C, Danchin A, Martin-Verstraete I, Soutourina O (октябрь 2008 г.). «Рибопереключатели S-box и T-box и антисмысловая РНК контролируют оперон метаболизма серы Clostridium acetobutylicum». Nucleic Acids Research . 36 (18): 5955–5969. doi :10.1093/nar/gkn601. PMC 2566862. PMID  18812398 . 
  25. ^ Loh E, Dussurget O, Gripenland J, Vaitkevicius K, Tiensuu T, Mandin P, Repoila F, Buchrieser C, Cossart P, Johansson J (ноябрь 2009 г.). «Трансактивный рибосвитч контролирует экспрессию регулятора вирулентности PrfA в Listeria monocytogenes». Cell . 139 (4): 770–779. doi : 10.1016/j.cell.2009.08.046 . PMID  19914169.
  26. ^ "Команда:BYU Provo/Результаты - 2011.igem.org". 2011.igem.org .
  27. ^ Sherman EM, Esquiaqui J, Elsayed G, Ye JD (март 2012 г.). «Энергетически выгодное взаимодействие лидера и линкера устраняет кооперативность связывания лиганда в глициновых рибопереключателях». РНК . 18 (3): 496–507. doi :10.1261/rna.031286.111. PMC 3285937. PMID  22279151 . 
  28. ^ Bocobza SE, Aharoni A (октябрь 2008 г.). «Включение света на рибопереключателях растений». Trends Plant Sci . 13 (10): 526–33. Bibcode :2008TPS....13..526B. doi :10.1016/j.tplants.2008.07.004. PMID  18778966.
  29. ^ Barrick JE (2009). «Предсказание регуляции рибопереключателя в геномном масштабе». Рибопереключатели . Методы в молекулярной биологии. Т. 540. С. 1–13. doi :10.1007/978-1-59745-558-9_1. ISBN 978-1-934115-88-6. PMID  19381548.
  30. ^ Бараш Д., Габданк И. (январь 2010 г.). «Минимизация энергии, применяемая к рибопереключателям: перспективы и проблемы». Биология РНК . 7 (1): 90–97. doi : 10.4161/rna.7.1.10657 . PMID  20061789.
  31. ^ Чен, Ши-Цзе; Берк, Дональд Х; Адамиак, РВ (2015). Вычислительные методы для понимания рибопереключателей / Методы в энзимологии, т. 553. Academic Press. ISBN 978-0-12-801618-3.
  32. ^ Nawrocki EP, Kolbe DL, Eddy SR (май 2009). «Infernal 1.0: вывод выравниваний РНК». Биоинформатика . 25 (10): 1335–1337. doi :10.1093/bioinformatics/btp157. PMC 2732312. PMID  19307242 . 
  33. ^ Abreu-Goodger C, Merino E (июль 2005 г.). «RibEx: веб-сервер для поиска рибопереключателей и других консервативных бактериальных регуляторных элементов». Nucleic Acids Research . 33 (выпуск веб-сервера): W690-2. doi :10.1093/nar/gki445. PMC 1160206. PMID  15980564 . 
  34. ^ Chang TH, Huang HD, Wu LC, Yeh CT, Liu BJ, Horng JT (июль 2009 г.). «Вычислительная идентификация рибопереключателей на основе консервативных функциональных последовательностей и конформаций РНК». РНК . 15 (7): 1426–1430. doi :10.1261/rna.1623809. PMC 2704089 . PMID  19460868. 
  35. ^ Voss B, Meyer C, Giegerich R (июль 2004 г.). «Оценка предсказуемости конформационного переключения в РНК». Биоинформатика . 20 (10): 1573–1582. doi : 10.1093/bioinformatics/bth129 . PMID  14962925.
  36. ^ Janssen S, Giegerich R (февраль 2015 г.). «Студия форм РНК». Биоинформатика . 31 (3): 423–425. doi :10.1093/bioinformatics/btu649. PMC 4308662. PMID  25273103 . 
  37. ^ Freyhult E, Moulton V, Clote P (август 2007 г.). «Вероятность Больцмана структурных соседей РНК и обнаружение рибосвитча». Биоинформатика . 23 (16): 2054–2062. doi : 10.1093/bioinformatics/btm314 . PMID  17573364.
  38. ^ Clote P, Lou F, Lorenz WA (апрель 2012 г.). "Максимальная ожидаемая точность структурных соседей вторичной структуры РНК". BMC Bioinformatics . 13 (Suppl 5): S6. doi : 10.1186/1471-2105-13-S5-S6 . PMC 3358666 . PMID  22537010. 
  39. ^ Barsacchi M, Novoa EM, Kellis M, Bechini A (ноябрь 2016 г.). «SwiSpot: моделирование рибопереключателей путем обнаружения последовательностей переключения». Биоинформатика . 32 (21): 3252–3259. doi : 10.1093/bioinformatics/btw401 . hdl : 11568/817190 . PMID  27378291.
  40. ^ Cochrane JC, Strobel SA (июнь 2008 г.). «Эффекторы рибопереключателя как кофакторы белковых ферментов». РНК . 14 (6): 993–1002. doi :10.1261/rna.908408. PMC 2390802. PMID  18430893 . 
  41. ^ Blount KF, Breaker RR (декабрь 2006 г.). «Рибопереключатели как мишени для антибактериальных препаратов». Nature Biotechnology . 24 (12): 1558–1564. doi :10.1038/nbt1268. PMID  17160062. S2CID  34398395.
  42. ^ Бауэр Г., Зюсс Б. (июнь 2006 г.). «Сконструированные рибопереключатели как новые инструменты в молекулярной биологии». Журнал биотехнологии . 124 (1): 4–11. doi :10.1016/j.jbiotec.2005.12.006. PMID  16442180.
  43. ^ Dixon N, Duncan JN, Geerlings T, Dunstan MS, McCarthy JE, Leys D, Micklefield J (февраль 2010 г.). «Реинжиниринг ортогонально селективных рибопереключателей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (7): 2830–2835. Bibcode : 2010PNAS..107.2830D. doi : 10.1073/pnas.0911209107 . PMC 2840279. PMID  20133756 . 
  44. ^ Verhounig A, Karcher D, Bock R (апрель 2010 г.). «Индуцируемая экспрессия генов из пластидного генома с помощью синтетического рибопереключателя». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (14): 6204–6209. Bibcode : 2010PNAS..107.6204V. doi : 10.1073 /pnas.0914423107 . PMC 2852001. PMID  20308585. 
  45. ^ Фернандес-де-Коссио-Диас, Хорхе; Ардуэн, Пьер; Мутье, Франсуа-Ксавье Лионне дю; Джоаккино, Андреа Ди; Маршан, Бертран; Понти, Янн; Саргуэль, Бруно; Монассон, Реми; Кокко, Симона (20 апреля 2024 г.), Проектирование переключателей молекулярной РНК с помощью ограниченных машин Больцмана , номер документа : 10.1101/2023.05.10.540155 , получено 10 ноября 2024 г.
  46. ^ Ketzer P, Kaufmann JK, Engelhardt S, Bossow S, von Kalle C, Hartig JS, Ungerechts G, Nettelbeck DM (февраль 2014 г.). «Искусственные рибопереключатели для контроля экспрессии генов и репликации ДНК- и РНК-вирусов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (5): E554–562. Bibcode : 2014PNAS..111E.554K. doi : 10.1073/pnas.1318563111 . PMC 3918795. PMID  24449891 . 
  47. ^ Strobel B, Klauser B, Hartig JS, Lamla T, Gantner F, Kreuz S (октябрь 2015 г.). «Ослабление цитотоксичности трансгена, опосредованное рибопереключателем, увеличивает урожайность векторов аденоассоциированных вирусов в клетках HEK-293». Molecular Therapy . 23 (10): 1582–1591. doi :10.1038/mt.2015.123. PMC 4817922 . PMID  26137851. 

Дальнейшее чтение