5′ нетранслируемая область ( также известная как 5′ UTR , лидерная последовательность , лидер транскрипта или лидерная РНК ) — это область матричной РНК (мРНК), которая находится непосредственно выше инициирующего кодона . Эта область важна для регуляции трансляции транскрипта различными механизмами у вирусов , прокариот и эукариот . Хотя 5′ UTR или ее часть называются нетранслируемыми, иногда она транслируется в белковый продукт. Затем этот продукт может регулировать трансляцию основной кодирующей последовательности мРНК. Однако во многих организмах 5′ UTR полностью нетранслируется, вместо этого образуя сложную вторичную структуру для регуляции трансляции.
Было обнаружено, что 5′ UTR взаимодействует с белками, связанными с метаболизмом, а белки транслируют последовательности [ необходимо разъяснение ] в пределах 5′ UTR. Кроме того, этот регион участвует в регуляции транскрипции , например, в гене , летальном при половом акте у дрозофилы . [1] Регуляторные элементы в пределах 5′ UTR также связаны с экспортом мРНК. [2]
5′ UTR начинается в точке начала транскрипции и заканчивается за один нуклеотид (nt) до последовательности инициации (обычно AUG) кодирующей области. У прокариот длина 5′ UTR, как правило, составляет 3–10 нуклеотидов, тогда как у эукариот она составляет от 100 до нескольких тысяч нуклеотидов. [3] Например, транскрипт ste11 у Schizosaccharomyces pombe имеет 2273 нуклеотида 5′ UTR [4] , тогда как оперон lac у Escherichia coli имеет только семь нуклеотидов в своей 5′ UTR. [5] Различия в размерах, вероятно, обусловлены сложностью эукариотической регуляции, которую удерживает 5′ UTR, а также более крупным комплексом преинициации , который должен образоваться для начала трансляции.
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 доменах 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. Прокариотическая 5′ UTR 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 открытыми рамками считывания выше по течению (uORF) и AUG выше по течению (uAUG), а также терминирующие кодоны, которые оказывают большое влияние на регуляцию трансляции (см. ниже). В отличие от прокариот , 5′ UTR могут содержать интроны у эукариот. У людей ~35% всех генов содержат интроны в 5'-нетранслируемой области. [8]
Поскольку 5' UTR имеет высокое содержание GC , в нем часто встречаются вторичные структуры . Петли шпилек являются одной из таких вторичных структур, которые могут быть расположены в 5' UTR. Эти вторичные структуры также влияют на регуляцию трансляции . [9]
У бактерий инициация трансляции происходит, когда IF-3 вместе с 30S рибосомной субъединицей связывается с последовательностью Шайна-Дальгарно (SD) 5' UTR. [5] Затем это вовлекает множество других белков, таких как 50S рибосомная субъединица , что позволяет начать трансляцию. Каждый из этих шагов регулирует инициацию трансляции.
Инициация в Archaea изучена меньше. Последовательности SD встречаются гораздо реже, а факторы инициации имеют больше общего с эукариотическими. Гомолога бактериального IF3 нет. [10] Некоторые мРНК не имеют лидера. [11]
В обоих доменах гены без последовательностей Шайна-Дальгарно также транслируются менее понятным образом. Требованием, по-видимому, является отсутствие вторичной структуры вблизи инициирующего кодона. [12]
Регуляция трансляции у эукариот сложнее, чем у прокариот. Первоначально комплекс eIF4F рекрутируется к 5′ кэпу , который, в свою очередь, рекрутирует рибосомный комплекс к 5′ НТО. И eIF4E, и eIF4G связываются с 5′ НТО, что ограничивает скорость, с которой может происходить инициация трансляции. Однако это не единственный регуляторный этап трансляции , в котором участвует 5′ НТО.
РНК-связывающие белки иногда служат для предотвращения образования комплекса преинициации. 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 привлекать 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 смысле, 3′ UTR.
Другим важным регулятором трансляции является взаимодействие между 3'-НТО и 5'-НТО.
Замкнутая структура ингибирует трансляцию. Это наблюдалось у Xenopus laevis , у которого eIF4E, связанный с 5′ кэпом, взаимодействует с Maskin, связанным с CPEB на 3′ UTR, создавая трансляционно неактивные транскрипты . Это трансляционное ингибирование снимается после фосфорилирования CPEB , вытесняя сайт связывания Maskin, что позволяет полимеризовать хвост PolyA, который может задействовать трансляционный аппарат посредством PABP . [14] Однако важно отметить, что этот механизм находится под пристальным вниманием. [15]
Уровень железа в клетках поддерживается регуляцией трансляции многих белков, участвующих в хранении и метаболизме железа. 5′ UTR обладает способностью образовывать вторичную структуру шпильковой петли (известную как элемент ответа железа или IRE), которая распознается железо-регулирующими белками (IRP1 и IRP2). При низком уровне железа ORF целевой мРНК блокируется в результате стерического препятствия от связывания IRP1 и IRP2 с IRE. Когда уровень железа высок, два железо-регулирующих белка 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 повышению риска болезни Альцгеймера . [16]
Другая форма трансляционной регуляции у эукариот происходит из уникальных элементов на 5′ UTR, называемых вышестоящими открытыми рамками считывания (uORF). Эти элементы довольно распространены, встречаясь в 35–49% всех человеческих генов. [17] uORF — это кодирующая последовательность, расположенная в 5′ UTR, расположенной выше сайта инициации кодирующих последовательностей. Эти uORF содержат свой собственный кодон инициации, известный как вышестоящий AUG (uAUG). Этот кодон может быть просканирован рибосомами, а затем транслирован для создания продукта, [18] который может регулировать трансляцию основной кодирующей последовательности белка или других uORF, которые могут существовать в том же транскрипте.
Трансляция белка в пределах основной ORF после трансляции последовательности uORF известна как реинициация. [19] Известно, что процесс реинициации снижает трансляцию белка ORF. Контроль регуляции белка определяется расстоянием между uORF и первым кодоном в основной ORF. [19] Было обнаружено, что uORF увеличивает реинициацию с увеличением расстояния между ее uAUG и стартовым кодоном основной ORF, что указывает на то, что рибосоме необходимо повторно приобрести факторы трансляции, прежде чем она сможет выполнить трансляцию основного белка. [19] Например, регуляция ATF4 выполняется двумя uORF, расположенными выше по течению, называемыми uORF1 и uORF2, которые содержат три аминокислоты и пятьдесят девять аминокислот соответственно. Расположение uORF2 перекрывается с ORF ATF4 . В нормальных условиях транслируется uORF1, а затем трансляция uORF2 происходит только после повторного приобретения eIF2 -TC. Трансляция uORF2 требует, чтобы рибосомы прошли мимо ORF ATF4 , стартовый кодон которой расположен внутри uORF2. Это приводит к его репрессии. Однако в условиях стресса рибосома 40S обойдет 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, uORF способствуют инициации трансляции на основе:
Вирусные (а также некоторые эукариотические) 5′ UTR содержат внутренние сайты входа рибосомы , что является независимым от кэпа методом трансляционной активации. Вместо того, чтобы создавать комплекс на 5′ кэпе, IRES позволяет напрямую связывать рибосомные комплексы с транскриптом для начала трансляции. [20] IRES позволяет вирусному транскрипту транслироваться более эффективно из-за отсутствия необходимости в комплексе преинициации, что позволяет вирусу быстро реплицироваться. [5]
Транскрипция транскрипта msl-2 регулируется несколькими сайтами связывания для Sxl мухи в 5′ UTR. [1] В частности, эти полиурациловые сайты расположены близко к небольшому интрону, который сплайсируется у самцов, но сохраняется у самок за счет ингибирования сплайсинга. Это ингибирование сплайсинга поддерживается Sxl . [1] При наличии Sxl будет подавлять трансляцию msl2 путем увеличения трансляции стартового кодона, расположенного в uORF в 5′ UTR (см. выше для получения дополнительной информации о uORF). Кроме того, Sxl вытесняет TIA-1 с областью поли(U) и предотвращает привлечение snRNP (шаг в альтернативном сплайсинге ) на сайт сплайсинга 5′. [1]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )