Интроны группы I — это крупные самосплайсирующие рибозимы . Они катализируют собственное вырезание из предшественников мРНК , тРНК и рРНК у широкого спектра организмов. [1] [2] [3] Основная вторичная структура состоит из девяти парных областей (P1-P9). [4] Они складываются в два домена — домен P4-P6 (образованный из укладки спиралей P5, P4, P6 и P6a) и домен P3-P9 (образованный из спиралей P8, P3, P7 и P9). [2] Разметка вторичной структуры для этого семейства представляет только это консервативное ядро. Интроны группы I часто имеют длинные открытые рамки считывания, вставленные в области петель .
Катализ
Сплайсинг интронов группы I обрабатывается двумя последовательными реакциями переэтерификации . [3] Сначала экзогенный гуанозин или гуанозиновый нуклеотид ( exoG ) прикрепляется к активному сайту связывания G, расположенному в P7, а затем его 3'-OH выравнивается для атаки фосфодиэфирной связи в "вышестоящем" (ближе к 5'-концу) сайте сплайсинга, расположенном в P1, в результате чего образуется свободная 3'-OH группа в вышестоящем экзоне , а exoG прикрепляется к 5'-концу интрона. Затем терминальный G (омега-G) интрона заменяет exoG и занимает сайт связывания G, подготавливая вторую реакцию переноса эфира: группа 3'-OH вышестоящего экзона в P1 выравнивается для атаки нижестоящего сайта сплайсинга в P10, что приводит к лигированию соседних вышестоящего и нижестоящего экзонов и высвобождению каталитического интрона.
Было высказано предположение , что двухметаллический ионный механизм, наблюдаемый в белковых полимеразах и фосфатазах, может использоваться интронами группы I и группы II для обработки реакций переноса фосфорила [5] , что было однозначно доказано структурой высокого разрешения интрона группы I Azoarcus в 2006 году [6].
Трехмерное изображение каталитического интрона группы I. На этом изображении показан активный центр в кристаллической структуре рибозима Tetrahymena . [7]Трехмерное изображение каталитического интрона группы I. Это кристаллическая структура комплекса рибозим-продукт фага Twort группы I. [8]Трехмерное изображение каталитического интрона группы I. Это структура рибозима Tetrahymena с тройным сэндвичем оснований и ионом металла в активном центре. [9]
Интронное сворачивание
С начала 1990-х годов ученые начали изучать, как интрон группы I достигает своей нативной структуры in vitro , и к настоящему времени были оценены некоторые механизмы сворачивания РНК. [10] Принято считать, что третичная структура сворачивается после формирования вторичной структуры. Во время сворачивания молекулы РНК быстро заселяются в различные промежуточные продукты сворачивания, промежуточные продукты, содержащие нативные взаимодействия, далее сворачиваются в нативную структуру через быстрый путь сворачивания, в то время как те, которые содержат ненативные взаимодействия, попадают в метастабильные или стабильные ненативные конформации, и процесс преобразования в нативную структуру происходит очень медленно. Очевидно, что интроны группы I, различающиеся по набору периферических элементов, демонстрируют разные потенциалы при вхождении в быстрый путь сворачивания. Между тем, кооперативная сборка третичной структуры важна для сворачивания нативной структуры. Тем не менее, сворачивание интронов группы I in vitro сталкивается как с термодинамическими , так и с кинетическими проблемами. Было показано, что несколько РНК-связывающих белков и шаперонов способствуют складыванию интронов группы I in vitro и у бактерий путем стабилизации нативных промежуточных продуктов и дестабилизации ненативных структур соответственно.
Распространение, филогения и подвижность
Интроны группы I распространены у бактерий, низших эукариот и высших растений. Однако их появление у бактерий, по-видимому, более спорадично, чем у низших эукариот, и они стали преобладающими у высших растений. Гены, которые прерывают интроны группы I, значительно различаются: они прерывают гены рРНК , мРНК и тРНК
в бактериальных геномах, а также в митохондриальных и хлоропластных
геномах низших эукариот, но вторгаются только в гены рРНК в ядерном геноме низших эукариот. У высших растений эти интроны, по-видимому, ограничены несколькими генами тРНК и мРНК хлоропластов и митохондрий.
Интроны группы I также обнаружены вставленными в гены самых разных бактериофагов грамположительных бактерий . [11] Однако их распределение в фагах грамотрицательных бактерий в основном ограничивается бактериофагами типа T4 , T-четными и T7 . [11] [12] [13] [14]
Обе теории, интрон-ранняя и интрон-поздняя, нашли доказательства в объяснении происхождения интронов группы I. Некоторые интроны группы I кодируют хоуминг-эндонуклеазу (HEG), которая катализирует подвижность интронов. Предполагается, что HEG перемещают интрон из одного места в другое, из одного организма в другой и, таким образом, объясняют широкое распространение эгоистичных интронов группы I. До сих пор не было выявлено никакой биологической роли для интронов группы I, за исключением сплайсинга самих себя из предшественника для предотвращения смерти хозяина, в котором они живут. Также обнаружено, что небольшое количество интронов группы I кодирует класс белков, называемых матуразами, которые облегчают сплайсинг интронов .
^ Nielsen H, Johansen SD (2009). «Интроны группы I: движение в новых направлениях». RNA Biol . 6 (4): 375–83. doi : 10.4161/rna.6.4.9334 . PMID 19667762. Получено 15 июля 2010 г.
^ ab Cate JH, Gooding AR, Podell E, et al. (сентябрь 1996 г.). «Кристаллическая структура домена рибозима группы I: принципы упаковки РНК». Science . 273 (5282): 1678–85. Bibcode :1996Sci...273.1678C. doi :10.1126/science.273.5282.1678. PMID 8781224. S2CID 38185676.
^ ab Cech TR (1990). «Самосплайсинг интронов группы I». Annu. Rev. Biochem . 59 : 543–68. doi :10.1146/annurev.bi.59.070190.002551. PMID 2197983.
^ Woodson SA (июнь 2005 г.). «Структура и сборка интронов группы I». Curr. Opin. Struct. Biol . 15 (3): 324–30. doi :10.1016/j.sbi.2005.05.007. PMID 15922592.
^ Steitz, TA; Steitz JA (1993). «Общий механизм двухметаллических ионов для каталитической РНК». Proc Natl Acad Sci USA . 90 (14): 6498–6502. Bibcode : 1993PNAS...90.6498S. doi : 10.1073 /pnas.90.14.6498 . PMC 46959. PMID 8341661.
^ Stahley, MR; Strobel SA (2006). «Сплайсинг РНК: кристаллические структуры интронов группы I раскрывают основу выбора места сплайсинга и катализа ионами металлов». Curr Opin Struct Biol . 16 (3): 319–326. doi :10.1016/j.sbi.2006.04.005. PMID 16697179.
^ Golden BL, Gooding AR, Podell ER, Cech TR (1998). «Предварительно организованный активный сайт в кристаллической структуре рибозима Tetrahymena». Science . 282 (5387): 259–64. Bibcode :1998Sci...282..259G. doi :10.1126/science.282.5387.259. PMID 9841391.
^ Golden BL, Kim H, Chase E (2005). «Кристаллическая структура комплекса рибозим-продукт фага Twort группы I». Nat Struct Mol Biol . 12 (1): 82–9. doi :10.1038/nsmb868. PMID 15580277. S2CID 33369317.
^ Guo F, Gooding AR, Cech TR (2004). «Структура рибозима Tetrahymena: тройной сэндвич с основаниями и ион металла в активном центре». Mol Cell . 16 (3): 351–62. doi : 10.1016/j.molcel.2004.10.003 . PMID 15525509.
^ Brion P, Westhof E (1997). «Иерархия и динамика фолдинга РНК». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 26 : 113–37. doi :10.1146/annurev.biophys.26.1.113. PMID 9241415.
^ ab Edgell DR, Belfort M , Shub DA (октябрь 2000 г.). «Барьеры для интронной неоднородности у бактерий». J. Bacteriol . 182 (19): 5281–9. doi :10.1128/jb.182.19.5281-5289.2000. PMC 110968 . PMID 10986228.
^ Sandegren L, Sjöberg BM (май 2004 г.). «Распределение, гомология последовательностей и возвращение интронов группы I среди бактериофагов, подобных T-четным: доказательства недавнего переноса старых интронов». J. Biol. Chem . 279 (21): 22218–27. doi : 10.1074/jbc.M400929200 . PMID 15026408.
^ Bonocora RP, Shub DA (декабрь 2004 г.). «Самосплайсинговый интрон группы I в генах ДНК-полимеразы бактериофагов типа T7». J. Bacteriol . 186 (23): 8153–5. doi :10.1128/JB.186.23.8153-8155.2004. PMC 529087. PMID 15547290 .
^ Lee CN, Lin JW, Weng SF, Tseng YH (декабрь 2009 г.). «Геномная характеристика интрон-содержащего T7-подобного фага phiL7 Xanthomonas campestris». Appl. Environ. Microbiol . 75 (24): 7828–37. Bibcode :2009ApEnM..75.7828L. doi :10.1128/AEM.01214-09. PMC 2794104 . PMID 19854925.
Хауген, П.; Саймон Д.М.; Бхаттачарья Д. (2005). «Естественная история интронов группы I». Тенденции в генетике . 21 (2): 111–119. doi :10.1016/j.tig.2004.12.007. PMID 15661357.
Rangan, P; Masquida, B; Westhof E; Woodson SA (2003). «Сборка основных спиралей и быстрое третичное сворачивание небольшого бактериального рибозима группы I». Proc Natl Acad Sci USA . 100 (4): 1574–1579. Bibcode : 2003PNAS..100.1574R . doi : 10.1073/pnas.0337743100 . PMC 149874. PMID 12574513.
Шредер, Р.; Барта А.; Семрад К. (2004). «Стратегии сворачивания и сборки РНК». Nat Rev Mol Cell Biol . 5 (11): 908–919. doi :10.1038/nrm1497. PMID 15520810. S2CID 22030359.
Thirumalai, D; Lee N; Woodson SA; Klimov D (2001). «Ранние события в РНК-фолдинге». Annu Rev Phys Chem . 52 : 751–762. Bibcode :2001ARPC...52..751T. doi :10.1146/annurev.physchem.52.1.751. PMID 11326079.
Treiber, DK; Williamson JR (1999). «Раскрытие кинетических ловушек в сворачивании РНК». Curr Opin Struct Biol . 9 (3): 339–345. doi :10.1016/S0959-440X(99)80045-1. PMID 10361090.
Сяо, М; Лейбовиц МДж; Чжан И (2003). «Согласованное сворачивание рибозима Candida в каталитически активную структуру после быстрого уплотнения РНК». Nucleic Acids Res . 31 (14): 3901–3908. doi :10.1093/nar/gkg455. PMC 165970. PMID 12853605 .
