В молекулярной генетике три основных нетранслируемых региона ( 3'-UTR ) представляют собой участок информационной РНК (мРНК), который 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 . Некоторые области молекулы мРНК не транслируются в белок, включая 5'-кэп , 5'-нетранслируемую область , 3'-нетранслируемую область и поли(А)-хвост . Регуляторные области внутри 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 внутри 3'-UTR, микроРНК могут снижать экспрессию генов различных мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо непосредственно вызывая деградацию транскрипта. 3'-UTR также имеет участки сайленсера , которые связываются с белками- репрессорами и ингибируют экспрессию мРНК.
Многие 3'-UTR также содержат элементы, богатые AU (ARE). Белки связывают ARE, локализованно влияя на стабильность или скорость распада транскриптов или на инициацию трансляции. Кроме того, 3'-UTR содержит последовательность AAAUAAA, которая направляет добавление нескольких сотен адениновых остатков, называемых поли(А)-хвостом, к концу транскрипта мРНК. Поли(А)-связывающий белок (PABP) связывается с этим хвостом, способствуя регуляции трансляции, стабильности и экспорта мРНК. Например, PABP, связанный с хвостом поли(А), взаимодействует с белками, связанными с 5'-концом транскрипта, вызывая циркуляризацию мРНК, которая способствует трансляции.
3'-UTR также может содержать последовательности, которые привлекают белки для связывания мРНК с цитоскелетом , транспортировки ее в ядро клетки или из него или выполнения других типов локализации. Помимо последовательностей внутри 3'-UTR, в регуляцию трансляции вносят вклад физические характеристики региона, включая его длину и вторичную структуру . Эти разнообразные механизмы регуляции генов гарантируют, что правильные гены экспрессируются в правильных клетках в нужное время.
3'-UTR мРНК выполняет множество регуляторных функций, которые контролируются физическими характеристиками региона. Одной из таких характеристик является длина 3'-UTR, которая в геноме млекопитающих имеет значительные вариации. Длина этой области транскрипта мРНК может варьироваться от 60 нуклеотидов до примерно 4000. [3] В среднем длина 3'-UTR у человека составляет примерно 800 нуклеотидов, тогда как средняя длина 5'-UTR составляет всего около 200 нуклеотидов. [4] Длина 3'-UTR имеет важное 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 микроРНК, способных ингибировать трансляцию. Помимо длины, нуклеотидный состав также значительно различается между 5'- и 3'-UTR. Средний процент G+C 5'-UTR у теплокровных позвоночных составляет около 60% по сравнению с всего лишь 45% для 3'-UTR. Это важно, поскольку наблюдается обратная корреляция между G+C% 5'- и 3'-UTR и их соответствующими длинами. UTR с низким содержанием GC, как правило, длиннее, чем те, которые расположены в геномных регионах, богатых GC. [4]
Последовательности внутри 3'-UTR также обладают способностью разрушать или стабилизировать транскрипт мРНК. Модификации, контролирующие стабильность транскрипта, позволяют быстро контролировать экспрессию гена без изменения скорости трансляции. Одной из групп элементов 3'-UTR, которая может помочь дестабилизировать транскрипт мРНК, являются элементы, богатые AU (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 количеством и расположением мотивов. [1] Другим набором элементов, который присутствует как в 5'-, так и в 3'-UTR, являются элементы ответа железа (IRE). IRE представляет собой структуру «стебель-петля» 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 специфических белков и внутриклеточной концентрации железа. [3]
3'-UTR также содержит последовательности, сигнализирующие о необходимости добавления либо к самому транскрипту, либо к продукту трансляции. Например, в 3'-UTR присутствуют два разных сигнала полиаденилирования, которые сигнализируют о добавлении поли(А)-хвоста. Эти сигналы инициируют синтез хвоста поли(А) определенной длины, равной примерно 250 парам оснований. [1] Основным используемым сигналом является сигнал ядерного полиаденилирования (PAS) с последовательностью AAUAAA, расположенной ближе к концу 3'-UTR. [3] Однако на ранних стадиях развития вместо этого может происходить цитоплазматическое полиаденилирование , которое регулирует активацию трансляции 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] Еще одним специфическим дополнением, о котором сигнализирует 3'-UTR, является включение селеноцистеина в кодоны UGA мРНК, кодирующих селенопротеины. Обычно кодон UGA кодирует остановку трансляции, но в этом случае консервативная структура «стебель-петля» , называемая последовательностью вставки селеноцистеина (SECIS), вызывает вместо этого вставку селеноцистеина. [4]
3'-нетранслируемая область играет решающую роль в экспрессии генов, влияя на локализацию, стабильность, экспорт и эффективность трансляции мРНК. Он содержит различные последовательности, которые участвуют в экспрессии генов, включая элементы ответа микроРНК (MRE), AU-богатые элементы (ARE) и поли(А)-хвост. Кроме того, структурные характеристики 3'-UTR, а также использование альтернативного полиаденилирования играют роль в экспрессии генов.
3'-UTR часто содержит элементы ответа микроРНК (MRE), которые представляют собой последовательности, с которыми связываются микроРНК. МикроРНК представляют собой короткие некодирующие молекулы РНК, способные связываться с транскриптами мРНК и регулировать их экспрессию. Один механизм микроРНК включает частичное спаривание оснований 5'-затравочной последовательности микроРНК с MRE в 3'-UTR мРНК; это связывание затем вызывает репрессию трансляции.
Помимо содержания MRE, 3'-UTR также часто содержит AU-богатые элементы (ARE) , длина которых составляет от 50 до 150 п.о. и обычно включает множество копий последовательности AUUUA. Белки, связывающие 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 раздражителям. Таким образом, 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 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, могут также взаимодействовать с белками, такими как факторы инициации трансляции, которые связаны с 5'-кэпом мРНК. Это взаимодействие вызывает циркуляризацию транскрипта, что впоследствии способствует инициации трансляции. Кроме того, он обеспечивает эффективную трансляцию, вызывая переработку рибосом . [1] [2] Хотя наличие поли(А)-хвоста обычно способствует запуску трансляции, его отсутствие или удаление часто приводит к опосредованной экзонуклеазой деградации мРНК. Само полиаденилирование регулируется последовательностями внутри 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 в сочетании с множеством других белков, вызывая различные ответы. [2]
Хотя 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 низкой скорости экспрессии, поскольку они часто содержат больше сайтов связывания микроРНК и белков, которые участвуют в ингибировании трансляции. [1] [2] [5] Транскрипты человека содержат 3'-UTR, которые в среднем в два раза длиннее, чем 3'-UTR других млекопитающих. Эта тенденция отражает высокий уровень сложности регуляции генов человека. Помимо длины, вторичная структура 3'-нетранслируемой области также выполняет регуляторные функции. Белковые факторы могут либо способствовать, либо нарушать сворачивание региона в различные вторичные структуры. Наиболее распространенной структурой является «стебель-петля», которая обеспечивает каркас для РНК-связывающих белков и некодирующих РНК, которые влияют на экспрессию транскрипта. [1]
Другой механизм, затрагивающий структуру 3'-UTR, называется альтернативным полиаденилированием (APA), в результате которого образуются изоформы мРНК , которые различаются только своими 3'-UTR. Этот механизм особенно полезен для сложных организмов , поскольку он обеспечивает средства экспрессии одного и того же белка, но в разных количествах и местах. Он используется примерно половиной человеческих генов. APA может быть результатом присутствия нескольких сайтов полиаденилирования или взаимоисключающих терминальных экзонов . Поскольку APA может влиять на наличие сайтов связывания белков и микроРНК, она 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 будет показано, что данная 3'-UTR в мРНК присутствует в ткани, необходимо определить влияние локализации, функционального периода полураспада, эффективности трансляции 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% 3'-UTR человека и наличие одной или нескольких мишеней микроРНК в 60% или более 3'-UTR человека. -УТР. Программное обеспечение может быстро сравнивать миллионы последовательностей одновременно, чтобы найти сходство между различными 3'-UTR в геноме. Экспериментальные подходы использовались для определения последовательностей, которые связаны со специфическими РНК-связывающими белками; в частности, недавние усовершенствования в методах секвенирования и перекрестного связывания позволили точно картировать сайты связывания белков внутри транскрипта. [8] Индуцированные сайт-специфические мутации, например те, которые влияют на терминирующий кодон, сигнал полиаденилирования или вторичную структуру 3'-UTR, могут показать, как мутированные области могут вызывать нарушение регуляции трансляции и заболевания. [9] Эти типы методов всего транскрипта должны помочь нам понять известные цис-элементы и трансрегуляторные факторы в 3'-UTR.
Мутации 3'-UTR могут иметь очень серьезные последствия, поскольку одно изменение может быть ответственным за измененную экспрессию многих генов. Транскрипционно мутация может повлиять только на аллель и гены, которые физически связаны. Однако, поскольку белки, связывающие 3'-UTR, также участвуют в процессинге и ядерном экспорте мРНК, мутация может также влиять на другие несвязанные гены. [9] Нарушение регуляции ARE-связывающих белков (AUBP) из-за мутаций в регионах, богатых AU, может привести к заболеваниям, включая онкогенез (рак), злокачественные кроветворные новообразования, лейкемогенез и задержку развития / расстройства аутистического спектра. [10] [11] [12] Увеличенное количество тринуклеотидных (CTG) повторов в 3'-UTR гена протеинкиназы дистрофии миотонической (DMPK) вызывает миотоническую дистрофию . [7] Ретро-транспозная вставка 3-килобазных последовательностей тандемных повторов в 3'-UTR белка фукутина связана с врожденной мышечной дистрофией типа Фукуямы. [7] Элементы 3'-UTR также связаны с острым миелолейкозом человека , альфа-талассемией , нейробластомой , кератинопатией , аниридией , синдромом IPEX и врожденными пороками сердца . [9] Немногие выявленные заболевания, опосредованные UTR, лишь намекают на бесчисленные связи, которые еще предстоит обнаружить.
Несмотря на нынешнее понимание 3'-UTR, они все еще остаются относительной загадкой. Поскольку мРНК обычно содержат несколько перекрывающихся контрольных элементов, часто бывает трудно определить идентичность и функцию каждого элемента 3'-UTR, не говоря уже о регуляторных факторах, которые могут связываться с этими сайтами. Кроме того, каждая 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 контроля в пределах одной мРНК. [7] Будущие исследования благодаря более широкому использованию профилирования рибосом на основе глубокого секвенирования откроют больше регуляторных тонкостей, а также новые элементы управления и AUBP. [1]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )