В молекулярной генетике трехглавая нетранслируемая область ( 3′-UTR ) — это часть информационной РНК (мРНК), которая следует сразу за кодоном терминации трансляции . 3′-UTR часто содержит регуляторные области, которые посттранскрипционно влияют на экспрессию генов .
Во время экспрессии гена молекула мРНК транскрибируется из последовательности ДНК и позже транслируется в белок . Несколько областей молекулы мРНК не транслируются в белок, включая 5'-кэп , 5'-нетранслируемую область , 3'-нетранслируемую область и поли(А)-хвост . Регуляторные области в 3'-нетранслируемой области могут влиять на полиаденилирование , эффективность трансляции, локализацию и стабильность мРНК. [1] [2] 3'-UTR содержит сайты связывания как для регуляторных белков, так и для микроРНК (миРНК). Связываясь со специфическими сайтами в 3'-UTR, микроРНК могут снижать экспрессию генов различных мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо напрямую вызывая деградацию транскрипта. 3'-UTR также имеет области сайленсера , которые связываются с белками- репрессорами и будут ингибировать экспрессию мРНК.
Многие 3′-UTR также содержат элементы, богатые AU (ARE). Белки связывают ARE, чтобы повлиять на стабильность или скорость распада транскриптов локализованным образом или повлиять на инициацию трансляции. Кроме того, 3′-UTR содержит последовательность AAUAAA, которая направляет добавление нескольких сотен остатков аденина, называемых поли(A)-хвостом , к концу транскрипта мРНК. Поли(A)-связывающий белок (PABP) связывается с этим хвостом, способствуя регуляции трансляции, стабильности и экспорта мРНК. Например, поли(A)-связанный PABP взаимодействует с белками, связанными с 5'-концом транскрипта, вызывая кольцевание мРНК, что способствует трансляции.
3′-UTR может также содержать последовательности, которые привлекают белки для связывания мРНК с цитоскелетом , транспортировки ее в ядро клетки или из него или выполнения других типов локализации. В дополнение к последовательностям в пределах 3′-UTR физические характеристики региона, включая его длину и вторичную структуру , способствуют регуляции трансляции. Эти разнообразные механизмы регуляции генов гарантируют, что правильные гены экспрессируются в правильных клетках в нужное время.
3′-UTR мРНК имеет большое разнообразие регуляторных функций, которые контролируются физическими характеристиками региона. Одной из таких характеристик является длина 3′-UTR, которая в геноме млекопитающих имеет значительные вариации. Этот регион транскрипта мРНК может варьироваться от 60 нуклеотидов до примерно 4000. [3] В среднем длина 3′-UTR у людей составляет примерно 800 нуклеотидов, тогда как средняя длина 5'-UTR составляет всего около 200 нуклеотидов. [4] Длина 3′-UTR имеет значение, поскольку более длинные 3′-UTR связаны с более низкими уровнями экспрессии генов. Одним из возможных объяснений этого явления является то, что более длинные регионы имеют более высокую вероятность наличия большего количества сайтов связывания miRNA, которые обладают способностью ингибировать трансляцию. Помимо длины, состав нуклеотидов также значительно различается между 5' и 3'-UTR. Средний процент G+C 5'-UTR у теплокровных позвоночных составляет около 60% по сравнению с 45% для 3'-UTR. Это важно, поскольку наблюдается обратная корреляция между G+C% 5' и 3'-UTR и их соответствующими длинами. UTR, которые бедны GC, как правило, длиннее, чем те, которые расположены в богатых GC областях генома. [4]
Последовательности в 3′-UTR также обладают способностью деградировать или стабилизировать транскрипт мРНК. Модификации, которые контролируют стабильность транскрипта, позволяют быстро контролировать экспрессию гена без изменения скорости трансляции. Одной из групп элементов в 3′-UTR, которые могут помочь дестабилизировать транскрипт мРНК, являются AU-богатые элементы (ARE). Эти элементы имеют размер от 50 до 150 пар оснований и обычно содержат несколько копий пентануклеотида AUUUA. Ранние исследования показали, что ARE могут различаться по последовательности и делиться на три основных класса, которые различаются по количеству и расположению мотивов. [1] Другой набор элементов, который присутствует как в 5', так и в 3′-UTR, — это элементы реагирования на железо (IRE). IRE представляет собой структуру стебля-петли в нетранслируемых областях мРНК, которые кодируют белки, участвующие в клеточном метаболизме железа. Транскрипт мРНК, содержащий этот элемент, либо деградирует, либо стабилизируется в зависимости от связывания определенных белков и внутриклеточной концентрации железа. [3]
3′-UTR также содержит последовательности, которые сигнализируют о том, что необходимо внести дополнения либо в сам транскрипт, либо в продукт трансляции. Например, в 3′-UTR присутствуют два разных сигнала полиаденилирования, которые сигнализируют о добавлении поли(А)-хвоста. Эти сигналы инициируют синтез поли(А)-хвоста определенной длины около 250 пар оснований. [1] Основным используемым сигналом является ядерный сигнал полиаденилирования (PAS) с последовательностью AAUAAA, расположенной ближе к концу 3′-UTR. [3] Однако во время раннего развития вместо этого может происходить цитоплазматическое полиаденилирование , которое регулирует трансляционную активацию материнских мРНК. Элемент, который контролирует этот процесс, называется CPE, который богат AU и также расположен в 3′-UTR. CPE обычно имеет структуру UUUUUUAU и обычно находится в пределах 100 пар оснований от ядерного PAS. [3] Другое специфическое добавление, сигнализируемое 3′-UTR, — это включение селеноцистеина в кодоны UGA мРНК, кодирующих селенопротеины. Обычно кодон UGA кодирует остановку трансляции, но в этом случае консервативная структура стебля-петли, называемая последовательностью вставки селеноцистеина (SECIS), вызывает вставку селеноцистеина вместо этого. [4]
3′-нетранслируемая область играет решающую роль в экспрессии генов, влияя на локализацию, стабильность, экспорт и эффективность трансляции мРНК. Она содержит различные последовательности, которые участвуют в экспрессии генов, включая элементы ответа микроРНК (MRE), элементы, богатые AU (ARE), и поли(A)-хвост. Кроме того, структурные характеристики 3′-UTR, а также использование ею альтернативного полиаденилирования играют роль в экспрессии генов.
3′-UTR часто содержит элементы ответа микроРНК (MRE), которые являются последовательностями, с которыми связываются miRNA. miRNA — это короткие некодирующие молекулы РНК, способные связываться с транскриптами мРНК и регулировать их экспрессию. Один механизм miRNA включает частичное спаривание оснований 5'-последовательности затравки miRNA с MRE в пределах 3′-UTR мРНК; это связывание затем вызывает трансляционную репрессию.
Помимо MRE, 3′-UTR также часто содержит элементы, богатые AU (ARE) , длина которых составляет от 50 до 150 п.н., и обычно они включают множество копий последовательности AUUUA. Связывающие белки ARE (ARE-BP) связываются с элементами, богатыми AU, способом, который зависит от типа ткани, типа клеток, времени, клеточной локализации и окружающей среды. В ответ на различные внутриклеточные и внеклеточные сигналы ARE-BP могут способствовать распаду мРНК, влиять на стабильность мРНК или активировать трансляцию. Этот механизм регуляции генов участвует в росте клеток, клеточной дифференцировке и адаптации к внешним стимулам. Поэтому он действует на транскрипты, кодирующие цитокины , факторы роста , супрессоры опухолей, протоонкогены , циклины , ферменты , факторы транскрипции , рецепторы и мембранные белки . [1]
Поли(А)-хвост содержит сайты связывания для поли(А)-связывающих белков (PABP). Эти белки взаимодействуют с другими факторами, влияя на экспорт, стабильность, распад и трансляцию мРНК. PABP, связанные с поли(А)-хвостом, также могут взаимодействовать с белками, такими как факторы инициации трансляции, которые связаны с 5'-кэпом мРНК. Это взаимодействие вызывает кольцевание транскрипта, что впоследствии способствует инициации трансляции. Кроме того, оно обеспечивает эффективную трансляцию, вызывая рециркуляцию рибосом . [1] [2] В то время как наличие поли(А)-хвоста обычно способствует запуску трансляции, отсутствие или удаление одного из них часто приводит к экзонуклеазной деградации мРНК. Само полиаденилирование регулируется последовательностями в пределах 3'-UTR транскрипта. Эти последовательности включают цитоплазматические элементы полиаденилирования (CPE), которые представляют собой богатые уридином последовательности, которые способствуют как активации, так и репрессии полиаденилирования. CPE-связывающий белок (CPEB) связывается с CPE совместно с другими различными белками, чтобы вызывать различные реакции. [2]
В то время как последовательность, составляющая 3′-UTR, вносит большой вклад в экспрессию генов, структурные характеристики 3′-UTR также играют большую роль. В целом, более длинные 3′-UTR соответствуют более низким скоростям экспрессии, поскольку они часто содержат больше сайтов связывания miRNA и белков, которые участвуют в ингибировании трансляции. [1] [2] [5] Человеческие транскрипты обладают 3′-UTR, которые в среднем вдвое длиннее других 3′-UTR млекопитающих. Эта тенденция отражает высокий уровень сложности, вовлеченный в регуляцию генов человека. Помимо длины, вторичная структура 3′-нетранслируемой области также имеет регуляторные функции. Белковые факторы могут либо помогать, либо нарушать сворачивание области в различные вторичные структуры. Наиболее распространенной структурой является петля-стебель, которая обеспечивает каркас для связывающих РНК белков и некодирующих РНК, которые влияют на экспрессию транскрипта. [1]
Другой механизм, включающий структуру 3′-UTR, называется альтернативным полиаденилированием (APA), которое приводит к изоформам мРНК , которые отличаются только своими 3′-UTR. Этот механизм особенно полезен для сложных организмов , поскольку он обеспечивает способ экспрессии одного и того же белка, но в разных количествах и местах. Он используется примерно половиной человеческих генов. APA может быть результатом наличия нескольких сайтов полиаденилирования или взаимоисключающих терминальных экзонов . Поскольку он может влиять на наличие сайтов связывания белка и микроРНК, APA может вызывать дифференциальную экспрессию транскриптов мРНК, влияя на их стабильность, экспорт в цитоплазму и эффективность трансляции. [1] [5] [6]
Ученые используют ряд методов для изучения сложных структур и функций 3′ UTR. Даже если показано, что данный 3′-UTR в мРНК присутствует в ткани, необходимо определить эффекты локализации, функционального периода полураспада, трансляционной эффективности и транс-действующих элементов, чтобы понять полную функциональность 3′-UTR. [7] Вычислительные подходы, в первую очередь с помощью анализа последовательностей, показали существование ARE примерно в 5–8% человеческих 3′-UTR и наличие одной или нескольких мишеней miRNA в 60% или более человеческих 3′-UTR. Программное обеспечение может быстро сравнивать миллионы последовательностей одновременно, чтобы найти сходства между различными 3′-UTR в геноме. Экспериментальные подходы использовались для определения последовательностей, которые ассоциируются со специфическими РНК-связывающими белками; в частности, недавние усовершенствования в методах секвенирования и сшивания позволили точно картировать сайты связывания белков в транскрипте. [8] Индуцированные сайт-специфические мутации, например, те, которые влияют на кодон терминации, сигнал полиаденилирования или вторичную структуру 3′-UTR, могут показать, как мутировавшие регионы могут вызывать дерегуляцию трансляции и заболевания. [9] Эти типы методов, охватывающих весь транскрипт, должны помочь нам понять известные цис-элементы и трансрегуляторные факторы в пределах 3′-UTR.
Мутации 3′-UTR могут быть очень существенными, поскольку одно изменение может быть ответственно за измененную экспрессию многих генов. Транскрипционно мутация может влиять только на аллель и гены, которые физически связаны. Однако, поскольку связывающие белки 3′-UTR также функционируют в обработке и ядерном экспорте мРНК, мутация может влиять и на другие неродственные гены. [9] Нарушение регуляции связывающих белков ARE (AUBP) из-за мутаций в богатых AU регионах может приводить к заболеваниям, включая опухолеобразование (рак), злокачественные новообразования кроветворной системы, лейкемию и задержку развития/расстройства аутистического спектра. [10] [11] [12] Расширенное число тринуклеотидных (CTG) повторов в 3'-UTR гена протеинкиназы миотонической дистрофии (DMPK) вызывает миотоническую дистрофию . [7] Ретротранспозитивная вставка 3-килобаз тандемных повторных последовательностей в 3′-UTR белка фукутина связана с врожденной мышечной дистрофией типа Фукуямы. [7] Элементы в 3′-UTR также связаны с острым миелоидным лейкозом человека , альфа-талассемией , нейробластомой , кератинопатией , аниридией , синдромом IPEX и врожденными пороками сердца . [9] Несколько выявленных заболеваний, опосредованных UTR, лишь намекают на бесчисленные связи, которые еще предстоит открыть.
Несмотря на современное понимание 3′-UTR, они все еще остаются относительной загадкой. Поскольку мРНК обычно содержат несколько перекрывающихся элементов управления, часто бывает трудно определить идентичность и функцию каждого элемента 3′-UTR, не говоря уже о регуляторных факторах, которые могут связываться на этих участках. Кроме того, каждый 3′-UTR содержит множество альтернативных элементов, богатых AU, и сигналов полиаденилирования. Эти цис- и транс-действующие элементы, наряду с микроРНК, предлагают практически безграничный диапазон возможностей управления в пределах одной мРНК. [7] Будущие исследования посредством более широкого использования профилирования рибосом на основе глубокого секвенирования выявят больше регуляторных тонкостей, а также новые элементы управления и AUBP. [1]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )