stringtranslate.com

R-петля

Схематическое изображение факторов, способствующих образованию и стабилизации R-петли

R -петля — это трехцепочечная структура нуклеиновой кислоты, состоящая из гибрида ДНК: РНК и связанной нешаблонной одноцепочечной ДНК . R-петли могут образовываться при различных обстоятельствах и могут переноситься или выводиться клеточными компонентами. Термин «R-петля» был дан для отражения сходства этих структур с D-петлями ; «R» в данном случае представляет собой вовлечение фрагмента РНК .

В лаборатории R-петли могут быть созданы путем транскрипции последовательностей ДНК (например, тех, которые имеют высокое содержание GC), которые способствуют отжигу РНК позади прогрессирующей РНК-полимеразы. [1] Для формирования стабильной структуры R-петли требуется не менее 100 п.н. гибрида ДНК:РНК. R-петли также могут быть созданы путем гибридизации зрелой мРНК с двухцепочечной ДНК в условиях, благоприятствующих образованию гибрида ДНК-РНК; в этом случае интронные области (которые были вырезаны из мРНК) образуют одноцепочечные петли ДНК, поскольку они не могут гибридизоваться с комплементарной последовательностью в мРНК. [2]

История

Иллюстрация, показывающая, как гибрид ДНК-мРНК образует R-петли в областях, где интроны были удалены путем сплайсинга экзонов.

R-петля была впервые описана в 1976 году. [3] Независимые исследования R-петли, проведенные в лабораториях Ричарда Дж. Робертса и Филиппа А. Шарпа, показали, что гены аденовируса, кодирующие белок, содержат последовательности ДНК, которые не присутствуют в зрелой мРНК. [4] [5] Робертс и Шарп были удостоены Нобелевской премии в 1993 году за независимое открытие интронов. После их открытия в аденовирусе интроны были обнаружены в ряде эукариотических генов, таких как эукариотический ген овальбумина (впервые в лаборатории О'Мэлли, затем подтверждено другими группами), [6] [7] гексоновая ДНК, [4] и внехромосомные гены рРНК Tetrahymena thermophila . [8]

В середине 1980-х годов разработка антитела , которое специфически связывается со структурой R-петли, открыла двери для иммунофлуоресцентных исследований, а также для характеристики формирования R-петли по всему геному с помощью DRIP-seq . [9]

R-циклическое отображение

Картирование R-петли — это лабораторный метод, используемый для различения интронов и экзонов в двухцепочечной ДНК. [10] Эти R-петли визуализируются с помощью электронной микроскопии и выявляют интронные области ДНК путем создания несвязанных петель в этих областях. [11]

R-петлив естественных условиях

Потенциал R-петель в качестве праймеров репликации был продемонстрирован в 1980 году. [12] В 1994 году было показано, что R-петель присутствует in vivo с помощью анализа плазмид, выделенных из мутантов E. coli , несущих мутации в топоизомеразе . [13] Это открытие эндогенных R-петель в сочетании с быстрым прогрессом в технологиях генетического секвенирования вдохновило на расцвет исследований R-петель в начале 2000-х годов, который продолжается и по сей день. [14]

Регуляция образования и разрешения R-петли

Более 50 белков, которые, по-видимому, влияют на накопление R-петли, и хотя многие из них, как полагают, вносят свой вклад путем секвестрации или обработки вновь транскрибированной РНК для предотвращения повторного отжига с матрицей, механизмы взаимодействия R-петли для многих из этих белков еще предстоит определить. [15]

Существует три основных класса ферментов, которые могут удалять РНК, которая оказывается захваченной в дуплексе внутри R-петли. Ферменты RNaseH являются основными белками, ответственными за растворение R-петель, действуя для деградации фрагмента РНК, чтобы позволить двум комплементарным цепям ДНК отжигаться. [16] В качестве альтернативы, геликазы действуют, раскручивая дуплекс РНК:ДНК, так что РНК высвобождается. Сенатаксин является одной из геликаз, которая может перемещаться вдоль одноцепочечной РНК и, по-видимому, необходима для предотвращения образования R-петли в местах паузы транскрипции. [17] Третий класс ферментов, способных удалять R-петли, - это транслоказы точек ветвления, такие как FANCM , SMARCAL1 и ZRANB3 у людей или RecG у бактерий. [1] Транслоказы точек ветвления действуют на двухцепочечную ДНК, прилегающую к гибриду ДНК:РНК. Толкая в точке ветвления, они действуют, «застегивая» ДНК и выталкивая захваченную РНК. Это делает транслоказы точек ветвления эффективными в удалении как РНК, так и белков, связанных со структурой R-петли. Транслоказы точек ветвления могут работать вместе с РНКазой H и геликазами на некоторых типах R-петлей, которые встречаются в сложных структурах.

Роль R-петель в генетической регуляции

Образование R-петли является ключевым этапом переключения класса иммуноглобулинов , процесса, который позволяет активированным В-клеткам модулировать выработку антител . [18] Они также, по-видимому, играют роль в защите некоторых активных промоторов от метилирования . [19] Наличие R-петли также может ингибировать транскрипцию. [20] Кроме того, образование R-петли, по-видимому, связано с «открытым» хроматином , характерным для активно транскрибируемых областей. [21] [22]

R-петли как генетические повреждения

Когда образуются незапланированные R-петли, они могут вызывать повреждения посредством ряда различных механизмов. [23] Открытая одноцепочечная ДНК может подвергаться атаке эндогенных мутагенов, включая ферменты, модифицирующие ДНК, такие как индуцируемая активацией цитидиндезаминаза , и может блокировать репликационные вилки, вызывая коллапс вилки и последующие двухцепочечные разрывы. [24] Кроме того, R-петли могут вызывать незапланированную репликацию, действуя как праймер . [12] [22]

Накопление R-петли связано с рядом заболеваний, включая боковой амиотрофический склероз 4-го типа (ALS4) , атаксию окуломоторную апраксию 2-го типа (AOA2) , синдром Айкарди–Гутьера , синдром Ангельмана , синдром Прадера–Вилли и рак. [14] Гены, связанные с анемией Фанкони, также, по-видимому, важны для поддержания стабильности генома в условиях, когда накапливаются R-петли. [25]

R-петли, интроны и повреждения ДНК

Интроны — это некодирующие области внутри генов , которые транскрибируются вместе с кодирующими областями генов, но впоследствии удаляются из первичного транскрипта РНК путем сплайсинга . Активно транскрибируемые области ДНК часто образуют R-петли, которые уязвимы для повреждения ДНК . Интроны уменьшают образование R-петли и повреждение ДНК в высокоэкспрессируемых генах дрожжей. [26] Анализ всего генома показал, что гены, содержащие интроны, демонстрируют пониженные уровни R-петли и пониженное повреждение ДНК по сравнению с генами без интронов с аналогичной экспрессией как у дрожжей, так и у людей. [26] Вставка интрона в ген, склонный к R-петле, также может подавлять образование R-петли и рекомбинацию . Бонне и др. (2017) [26] предположили, что функция интронов в поддержании генетической стабильности может объяснить их эволюционное поддержание в определенных местах, особенно в высокоэкспрессируемых генах.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Аб Ходсон, Шарлотта; ван Твест, Сильви; Дылевска, Малгожата; О'Рурк, Жюльен Дж.; Тан, Винни; Мерфи, Винсент Дж.; Валия, Манну; Аббуш, Лара; Неминущи, Ядвига; Данн, Элиз; Байтелл-Дуглас, Рохан; Хайерхорст, Йорг; Недзведз, Войцех; Динс, Эндрю Дж. (2022). «Транслокация точки ветвления ремодераторами вилки как общий механизм удаления R-петли». Отчеты по ячейкам . 41 (10): 111749. doi :10.1016/j.celrep.2022.111749.
  2. ^ Ван, Канг; Ван, Хунхун; Ли, Конхуэй; Инь, Чжинанг; Сяо, Жуйцзин; Ли, Цюзи; Сян, Ин; Ван, Вэнь; Хуан, Цзянь; Чен, Лян; Фанг, Пинпин; Лян, Кайвэй (19 февраля 2021 г.). «Геномное профилирование нативных петель R с помощью гибридного датчика распознавания ДНК-РНК». Достижения науки . 7 (8). Бибкод : 2021SciA....7.3516W. doi : 10.1126/sciadv.abe3516. ISSN  2375-2548. ПМЦ 7888926 . ПМИД  33597247. 
  3. ^ Thomas M, White RL, Davis RW (июль 1976 г.). «Гибридизация РНК с двухцепочечной ДНК: образование R-петель». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 73 (7): 2294–8. Bibcode :1976PNAS...73.2294T. doi : 10.1073/pnas.73.7.2294 . PMC 430535 . PMID  781674. 
  4. ^ ab Berget SM, Moore C, Sharp PA (август 1977 г.). «Сплайсированные сегменты на 5'-конце поздней мРНК аденовируса 2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 74 (8): 3171–5. Bibcode : 1977PNAS...74.3171B. doi : 10.1073/pnas.74.8.3171 . PMC 431482. PMID  269380 . 
  5. ^ Chow LT, Gelinas RE, Broker TR, Roberts RJ (сентябрь 1977 г.). «Удивительное расположение последовательностей на 5' концах РНК-мессенджера аденовируса 2». Cell . 12 (1): 1–8. doi :10.1016/0092-8674(77)90180-5. PMID  902310. S2CID  2099968.
  6. ^ Lai EC, Woo SL, Dugaiczyk A, Catterall JF, O'Malley BW (май 1978). «Ген овальбумина: структурные последовательности в ДНК нативной курицы не являются смежными». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (5): 2205–9. Bibcode : 1978PNAS...75.2205L. doi : 10.1073/pnas.75.5.2205 . PMC 392520. PMID  276861 . 
  7. ^ O'Hare K, Breathnach R, Benoist C, Chambon P (сентябрь 1979 г.). «Не более семи прерываний в гене овальбумина: сравнение геномных и двухцепочечных последовательностей ДНК». Nucleic Acids Research . 7 (2): 321–34. doi :10.1093/nar/7.2.321. PMC 328020. PMID  493147. 
  8. ^ Cech TR, Rio DC (октябрь 1979). «Локализация транскрибируемых регионов на внехромосомных рибосомальных РНК-генах Tetrahymena thermophila с помощью картирования R-петли». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (10): 5051–5. Bibcode : 1979PNAS...76.5051C. doi : 10.1073 /pnas.76.10.5051 . PMC 413077. PMID  291921. 
  9. ^ Богуславский SJ, Смит DE, Михалак MA, Микельсон KE, Йеле CO, Паттерсон WL, Каррико RJ (май 1986). «Характеристика моноклональных антител к ДНК.РНК и их применение для иммунодетекции гибридов». Журнал иммунологических методов . 89 (1): 123–30. doi :10.1016/0022-1759(86)90040-2. PMID  2422282.
  10. ^ Woolford JL, Rosbash M (июнь 1979). «Использование R-петли для структурной идентификации генов и очистки мРНК». Nucleic Acids Research . 6 (7): 2483–97. doi :10.1093/nar/6.7.2483. PMC 327867. PMID  379820 . 
  11. ^ King RC, Stansfield WD, Mulligan PK (2007). Словарь генетики . Oxford University Press 7.
  12. ^ ab Itoh T, Tomizawa J (май 1980). "Формирование РНК-праймера для инициации репликации ДНК ColE1 рибонуклеазой H". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (5): 2450–4. Bibcode :1980PNAS...77.2450I. doi : 10.1073/pnas.77.5.2450 . PMC 349417 . PMID  6156450. 
  13. ^ Drolet M, Bi X, Liu LF (январь 1994). «Гиперотрицательная суперспирализация ДНК-шаблона во время удлинения транскрипции in vitro». Журнал биологической химии . 269 (3): 2068–74. doi : 10.1016/S0021-9258(17)42136-3 . PMID  8294458.
  14. ^ ab Groh M, Gromak N (сентябрь 2014 г.). «Нарушение баланса: R-петли при заболеваниях человека». PLOS Genetics . 10 (9): e1004630. doi : 10.1371/journal.pgen.1004630 . PMC 4169248. PMID  25233079 . 
  15. ^ Chan YA, Aristizabal MJ, Lu PY, Luo Z, Hamza A, Kobor MS, Stirling PC, Hieter P (апрель 2014 г.). "Полногеномное профилирование гибридных участков ДНК:РНК дрожжей с использованием DRIP-чипа". PLOS Genetics . 10 (4): e1004288. doi : 10.1371/journal.pgen.1004288 . PMC 3990523 . PMID  24743342. 
  16. ^ Cerritelli SM, Crouch RJ (март 2009). «Рибонуклеаза H: ферменты эукариот». Журнал FEBS . 276 (6): 1494–505. doi :10.1111/j.1742-4658.2009.06908.x. PMC 2746905. PMID  19228196 . 
  17. ^ Скурти-Статаки, Константина; Праудфут, Николас Дж.; Громак, Наталья (2011). «Человеческий сенатаксин разрешает гибриды РНК/ДНК, образованные в местах транскрипционной паузы, для содействия Xrn2-зависимой терминации». Molecular Cell . 42 (6): 794–805. doi : 10.1016/j.molcel.2011.04.026 . PMC 3145960 . PMID  21700224. 
  18. ^ Рой Д., Ю К., Либер М. Р. (январь 2008 г.). «Механизм образования R-петли в последовательностях переключения класса иммуноглобулина». Молекулярная и клеточная биология . 28 (1): 50–60. doi :10.1128/mcb.01251-07. PMC 2223306. PMID 17954560  . 
  19. ^ Ginno PA, Lott PL, Christensen HC, Korf I, Chédin F (март 2012 г.). «Формирование R-петли является отличительной характеристикой неметилированных промоторов CpG-островков человека». Molecular Cell . 45 (6): 814–25. doi :10.1016/j.molcel.2012.01.017. PMC 3319272 . PMID  22387027. 
  20. ^ D'Souza AD, Belotserkovskii BP, Hanawalt PC (февраль 2018 г.). «Новый способ ингибирования транскрипции, опосредованный PNA-индуцированными R-петлями с модельной системой in vitro». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1861 (2): 158–166. doi :10.1016/j.bbagrm.2017.12.008. PMC 5820110. PMID  29357316 . 
  21. ^ Кастельяно-Посо М., Сантос-Перейра Х.М., Рондон А.Г., Баррозу С., Андухар Э., Перес-Алегри М., Гарсия-Муза Т., Агилера А. (ноябрь 2013 г.). «Петли R связаны с фосфорилированием гистона H3 S10 и конденсацией хроматина». Молекулярная клетка . 52 (4): 583–90. дои : 10.1016/j.molcel.2013.10.006 . ПМИД  24211264.
  22. ^ ab Costantino L, Koshland D (июнь 2015 г.). «Инь и Ян биологии R-петли». Current Opinion in Cell Biology . 34 : 39–45. doi : 10.1016/j.ceb.2015.04.008. PMC 4522345. PMID 25938907  . 
  23. ^ Белоцерковский BP, Торналетти S, Д'Соуза AD, Ханавальт PC (ноябрь 2018 г.). «Генерация R-петли во время транскрипции: формирование, обработка и клеточные результаты». Ремонт ДНК . 71 : 69–81. doi :10.1016/j.dnarep.2018.08.009. PMC 6340742. PMID  30190235 . 
  24. ^ Соллиер Дж., Кимприч КА. (сентябрь 2015 г.). «Во все тяжкие: R-петли и целостность генома». Тенденции в клеточной биологии . 25 (9): 514–22. doi :10.1016/j.tcb.2015.05.003. PMC 4554970. PMID  26045257 . 
  25. ^ Шваб, Ребекка А.; Ниеминущи, Ядвига; Шах, Фенил; Лэнгтон, Джейми; Лопес Мартинес, Дэвид; Лян, Чи-Чао; Кон, Мартин А.; Гиббонс, Ричард Дж.; Динс, Эндрю Дж.; Недзведз, Войцех (2015). «Путь анемии Фанкони поддерживает стабильность генома путем координации репликации и транскрипции». Molecular Cell . 60 (3): 351–361. doi : 10.1016/j.molcel.2015.09.012 . PMC 4644232 . PMID  26593718. 
  26. ^ abc Bonnet A, Grosso AR, Elkaoutari A, Coleno E, Presle A, Sridhara SC, Janbon G, Géli V, de Almeida SF, Palancade B (август 2017 г.). «Интроны защищают эукариотические геномы от генетической нестабильности, связанной с транскрипцией». Molecular Cell . 67 (4): 608–621.e6. doi : 10.1016/j.molcel.2017.07.002 . PMID  28757210.