5'-нетранслируемая область ( также известная как 5'-UTR , лидерная последовательность , лидер транскрипта или лидерная РНК ) представляет собой область информационной РНК (мРНК), которая находится непосредственно перед инициирующим кодоном . Эта область важна для регуляции трансляции транскрипта с помощью различных механизмов у вирусов , прокариот и эукариот . 5'-UTR или ее часть, хотя и называется нетранслируемой, иногда транслируется в белковый продукт. Этот продукт затем может регулировать трансляцию основной кодирующей последовательности мРНК. Однако у многих организмов 5'-UTR совершенно не транслируется, вместо этого образуя сложную вторичную структуру для регуляции трансляции.
Было обнаружено, что 5'-UTR взаимодействует с белками, связанными с метаболизмом, а белки транслируют последовательности [ необходимы пояснения ] внутри 5'-UTR. Кроме того, эта область участвует в регуляции транскрипции , например, в гене , летальном для секса, у дрозофилы . [1] Регуляторные элементы в 5'-UTR также связаны с экспортом мРНК. [2]
5'-UTR начинается в сайте начала транскрипции и заканчивается на один нуклеотид (нт) перед инициирующей последовательностью (обычно AUG) кодирующей области. У прокариот длина 5'-UTR обычно составляет 3–10 нуклеотидов, тогда как у эукариот она обычно составляет от 100 до нескольких тысяч нуклеотидов. [3] Например, транскрипт ste11 у Schizosaccharomyces pombe имеет 5'-UTR из 2273 нуклеотидов [4], тогда как lac -оперон Escherichia coli имеет только семь нуклеотидов в 5'-UTR. [5] Различные размеры, вероятно, связаны со сложностью эукариотической регуляции, которую осуществляет 5'-UTR, а также с более крупным прединициационным комплексом , который должен сформироваться, чтобы начать трансляцию.
5'-UTR также может полностью отсутствовать в случае мРНК без лидера . Рибосомы всех трех доменов жизни принимают и транслируют такие мРНК. [6] Такие последовательности естественным образом встречаются во всех трех сферах жизни. У людей есть много генов, связанных с давлением, под лидером из 2–3 нуклеотидов. У млекопитающих также есть другие типы ультракоротких лидеров, такие как последовательность TISU. [7]
Элементы эукариотической и прокариотической 5'-UTR сильно различаются. 5'-UTR прокариот содержит сайт связывания рибосомы (RBS), также известный как последовательность Шайна-Дальгарно (AGGAGGU), который обычно находится на 3–10 пар оснований выше инициирующего кодона. [5] Напротив, эукариотическая 5'-UTR содержит консенсусную последовательность Козака (ACCAUGG), которая содержит инициирующий кодон. [5] Эукариотическая 5'-UTR также содержит цис -действующие регуляторные элементы, называемые восходящими открытыми рамками считывания (uORF) и восходящими AUG (uAUG) и терминирующими кодонами, которые оказывают большое влияние на регуляцию трансляции (см. ниже). В отличие от прокариот, 5'-UTR у эукариот могут содержать интроны . У человека ~35% всех генов содержат интроны в пределах 5'-UTR. [8]
Поскольку 5'-UTR имеет высокое содержание GC , внутри него часто возникают вторичные структуры . Петли-шпильки являются одной из таких вторичных структур, которые могут располагаться внутри 5'-UTR. Эти вторичные структуры также влияют на регуляцию трансляции . [9]
У бактерий инициация трансляции происходит, когда IF-3 вместе с 30S рибосомальной субъединицей связывается с последовательностью Шайна-Дальгарно (SD) 5'-UTR. [5] Затем это рекрутирует многие другие белки, такие как субъединица рибосомы 50S , что позволяет начать трансляцию. Каждый из этих шагов регулирует инициацию трансляции.
Инициация у архей менее изучена. Последовательности SD встречаются значительно реже, а факторы инициации имеют больше общего с эукариотическими. Гомолога бактериального IF3 не существует. [10] Некоторые мРНК не имеют лидера. [11]
В обоих доменах гены без последовательностей Шайна-Дальгарно также транслируются менее понятным способом. Требованием, по-видимому, является отсутствие вторичной структуры вблизи инициирующего кодона. [12]
Регуляция трансляции у эукариот более сложна, чем у прокариот. Первоначально комплекс eIF4F рекрутируется на 5'-кэп , который, в свою очередь, рекрутирует рибосомальный комплекс на 5'-UTR. И eIF4E , и eIF4G связываются с 5'-UTR, что ограничивает скорость, с которой может происходить инициация трансляции. Однако это не единственный регуляторный этап трансляции , в котором участвует 5'-UTR.
РНК-связывающие белки иногда служат для предотвращения образования преинициаторного комплекса. Примером является регуляция гена msl2 . Белок SXL прикрепляется к сегменту интрона, расположенному в сегменте 5'-UTR первичного транскрипта, что приводит к включению интрона после процессинга. [13] Эта последовательность позволяет рекрутировать белки, которые одновременно связываются как с 5'-, так и с 3'-UTR , не позволяя белкам трансляции собираться. Однако также было отмечено, что SXL может также подавлять трансляцию РНК, которые не содержат поли(А)-хвост или, в более общем плане, 3'-UTR.
Другим важным регулятором трансляции является взаимодействие между 3'-UTR и 5'-UTR.
Замкнутая структура препятствует трансляции. Это наблюдалось у Xenopus laevis , у которого eIF4E, связанный с 5'-кэпом, взаимодействует с Маскином, связанным с CPEB на 3'-UTR, создавая трансляционно неактивные транскрипты . Это ингибирование трансляции снимается, как только CPEB фосфорилируется , замещая сайт связывания Маскина, обеспечивая полимеризацию хвоста PolyA, который может задействовать механизм трансляции посредством PABP . [14] Однако важно отметить, что этот механизм находится под пристальным вниманием. [15]
Уровни железа в клетках поддерживаются за счет регуляции трансляции многих белков, участвующих в хранении и метаболизме железа. 5'-UTR обладает способностью образовывать вторичную структуру шпильки (известную как элемент ответа железа или IRE), которая распознается белками, регулирующими железо (IRP1 и IRP2). При низких уровнях железа ORF целевой мРНК блокируется в результате стерических препятствий связывания IRP1 и IRP2 с IRE. При высоком уровне железа два белка, регулирующих железо, не связываются так сильно и позволяют экспрессировать белки, которые играют роль в контроле концентрации железа. Эта функция приобрела некоторый интерес после того, как было обнаружено, что трансляция белка-предшественника амилоида может быть нарушена из-за однонуклеотидного полиморфизма IRE, обнаруженного в 5'-UTR его мРНК , что приводит к спонтанному увеличению риска болезни Альцгеймера . [16]
Другая форма регуляции трансляции у эукариот происходит за счет уникальных элементов на 5'-UTR, называемых восходящими открытыми рамками считывания (uORF). Эти элементы довольно распространены и встречаются в 35–49% всех генов человека. [17] uORF представляет собой кодирующую последовательность, расположенную в 5'-UTR, расположенном выше сайта инициации кодирующей последовательности. Эти uORF содержат собственный инициирующий кодон, известный как восходящий AUG (uAUG). Этот кодон можно сканировать рибосомами, а затем транслировать для создания продукта, [18] который может регулировать трансляцию кодирующей последовательности основного белка или других uORF, которые могут существовать в том же транскрипте.
Трансляция белка в основной ORF после трансляции последовательности uORF известна как повторная инициация. [19] Известно, что процесс повторной инициации снижает трансляцию белка ORF. Контроль регуляции белка определяется расстоянием между uORF и первым кодоном основной ORF. [19] Было обнаружено, что uORF увеличивает повторную инициацию при большем расстоянии между его uAUG и стартовым кодоном основной ORF, что указывает на то, что рибосоме необходимо повторно приобрести факторы трансляции, прежде чем она сможет осуществлять трансляцию основного белка. [19] Например, регуляция ATF4 осуществляется двумя расположенными выше uORF, называемыми uORF1 и uORF2, которые содержат три аминокислоты и пятьдесят девять аминокислот соответственно. Местоположение uORF2 совпадает с ORF ATF4 . В нормальных условиях uORF1 транслируется, а затем трансляция uORF2 происходит только после повторного приобретения eIF2 -TC. Трансляция uORF2 требует, чтобы рибосомы прошли мимо ORF ATF4 , стартовый кодон которого расположен внутри uORF2. Это приводит к его репрессиям. Однако в условиях стресса рибосома 40S будет обходить uORF2 из-за снижения концентрации eIF2-TC, что означает, что рибосома не успевает приобрести его для трансляции uORF2. Вместо этого транслируется ATF4 . [19]
Помимо реинициации, uORFs способствуют инициации трансляции на основе:
Вирусные (а также некоторые эукариотические) 5'-UTR содержат внутренние сайты входа в рибосомы , что представляет собой кэп-независимый метод активации трансляции. Вместо создания комплекса на 5'-кэпе IRES позволяет напрямую связывать рибосомальные комплексы с транскриптом для начала трансляции. [20] IRES позволяет вирусному транскрипту транслироваться более эффективно из-за отсутствия необходимости в преинициационном комплексе, что позволяет вирусу быстро реплицироваться. [5]
Транскрипция транскрипта msl-2 регулируется множественными сайтами связывания Sxl мухи на 5'-UTR. [1] В частности, эти полиурациловые сайты расположены вблизи небольшого интрона, который подвергается сплайсингу у самцов, но сохраняется у самок за счет ингибирования сплайсинга. Это ингибирование сплайсинга поддерживается Sxl . [1] Когда Sxl присутствует, он подавляет трансляцию msl2 за счет увеличения трансляции стартового кодона, расположенного в uORF в 5'-UTR (дополнительную информацию о uORF см. выше). Кроме того, Sxl превосходит TIA-1 в области поли(U) и предотвращает рекрутирование snRNP (этап альтернативного сплайсинга ) в 5'-сайт сплайсинга. [1]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )