Кіріспе
Екі тізбекті РНК-ны (dsRNA) қысқа dsRNA фрагменттеріне бөлетін фермент – Dicer, сонымен қатар эндорибонуклеаза Dicer немесе RNase мотиві бар геликаза деп те аталады, және адамдарда ол ген арқылы кодталады. RNase III отбасының мүшесі болатын Dicer, екі тізбекті РНК (dsRNA) және пре-микроРНК (pre miRNA) молекулаларын кіші екі тізбекті РНК фрагменттеріне – кіші интерференциялық РНК (siRNA) және микроРНК-ға дейін бөледі. Бұл фрагменттердің ұзындығы шамамен 20–25 негіз жұбын құрайды және 3' ұшында екі негіздік қалдық болады. Dicer, РНК-мен шақырылған үнсіздендіру кешенінің (RISC) белсендірілуіне көмектеседі, бұл РНК-ның интерференциясы үшін маңызды. RISC-тің каталитикалық компоненті – Argonaute, ол хабаршы РНК-ны (mRNA) ыдырататын эндонуклеаза.
Dicer, also known as endoribonuclease Dicer or helicase with RNase motif, is an enzyme that in humans is encoded by the gene. Being part of the RNase III family, Dicer cleaves double stranded RNA (dsRNA) and pre microRNA (pre miRNA) into short double stranded RNA fragments called small interfering RNA and microRNA, respectively. These fragments are approximately 20–25 base pairs long with a two base overhang on the 3′ end. Dicer facilitates the activation of the RNA induced silencing complex (RISC), which is essential for RNA interference. RISC has a catalytic component Argonaute, which is an endonuclease capable of degrading messenger RNA (mRNA).
Ашылу
Дикерге 2001 жылы Стони Брук университетінің докторанты Эмили Бернштейн Cold Spring Harbor Laboratory-дегі Грегори Ханнонның зертханасында зерттеу жүргізген кезде оның атын қойды. Бернштейн екі тізбекті РНК-дан шағын РНК фрагменттерін жасауға жауапты ферментті табуға тырысты. Дикердің шамамен 22 нуклеотидтік РНК фрагменттерін жасау қабілеті, dsРНК трансфекциясы арқылы РНҚі жолын іске қосқаннан кейін оны RISC фермент кешенінен бөліп шығарғанда анықталды. Бұл тәжірибе RISC-тің байқалатын шағын нуклеотидтік фрагменттерді жасауға жауапты емес екенін көрсетті. Келесі тәжірибелер RNase III ферменттер отбасының РНК фрагменттерін жасау қабілетін сынады, нәтижесінде іздеу Drosophila CG4792-ге дейін тарылды, қазір ол Дикер деп аталады. Дикердің гомологтары көптеген басқа организмдерде кездеседі. Physcomitrella patens есебіндегі төрт DICER белкесінің бірі – DCL1b, miRNA биогенезіне қатыспайды, бірақ miRNA мақсатты транскрипттерін бөліп алады. Осылайша ген экспрессиясын реттеудің жаңа механизмі – miRNA арқылы гендердің эпигенетикалық үндеуі ашылды. Кристалдық құрылымы тұрғысынан алғаш зерттелген Дикер – Giardia intestinalis протозоясынан алынған. Бұл жұмысты Иан МакРэй Берклидегі Калифорния университетінің Дженнифер Додна зертханасында постдокторант ретінде зерттеу жүргізген кезде орындады. Рентгендік кристаллография арқылы PAZ домені және екі RNase III домені табылды. Белгінің мөлшері 82 кДа, бұл басқа организмдердегі үлкен Дикер белкесінде кейіннен табылған функционалдық ядроны білдіреді; мысалы, ол адамдарда 219 кДа-ға жетеді. Адам мен G. intestinalis Дикері арасындағы мөлшерінің айырмашылығы кем дегенде бес түрлі доменнің адам Дикерінің құрамында болуымен байланысты. Бұл домендер Дикердің белсенділігін реттеуде, қос тізбекті РНК-ны өңдеуде және РНК интерференциялық белок факторларының жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады.
Функционалдық салалар
Адам дицері (hsDicer немесе DICER1 деп те аталады) қос тізлімді РНК-ны кесу қабілетіне байланысты Рибонуклеаза III класына жатады. Екі RNaseIII доменінен өзге, құрамында геликаза домені, PAZ (Piwi/Argonaute/Zwille) домені және екі қос тізлімді РНК байланыстыру домені (DUF283 және dsRBD) бар. Қазіргі зерттеулер PAZ доменінің қос тізлімді РНК-ның 2 нуклеотидтік 3' ұшымен байланыса алатынын, ал RNaseIII каталитикалық домендерінің қос тізлімді РНК-ның айналасында псевдо-димер құрып, тізлімдерді кесуді бастайтынын көрсетеді. Бұл қос тізлімді РНК тізлімінің функционалдық қысқаруына алып келеді. PAZ және RNaseIII домендері арасындағы қашықтық жалғастырғыш спиральдің бұрышымен анықталады және микро РНК өнімінің ұзындығына ықпал етеді. Геликаза доменінің ұзын субстраттарды өңдеуде қатысы бар.
Микро РНК
РНК-ның араласуы – РНК молекулаларының миРНК-ға ыдырауы арқылы белгілі бір жануардың (хост) РНК тізбектерінің гендік экспрессиясын тежейтін процесс. МиРНК жасуша ішінде ядродағы бастапқы миРНК (pri miRNA) -дан басталады. Бұл ұзын тізбектер шағын прекурсорлық миРНК-ға (pre miRNA) бөлінеді, олар әдетте 70 нуклеотидтен тұрады және түйіншелі құрылымға ие. Pri miRNA DGCR8 арқылы анықталады және Drosha ферментімен pre miRNA-ны құру үшін кесіледі, бұл процесс ядрода өтеді. Содан кейін бұл pre miRNA цитоплазмаға тасымалданады, онда Dicer оларды пісіп жетілген миРНК-қа айналдыру үшін кесіп бөледі.
Кішігірім араластыратын РНК
Кіші интерференциялық РНК (siRNA) миРНК сияқты өндіріледі және жұмыс істейді, екі тізбекті РНК-ны Дицер ферментімен 21-23 нуклеотидтің кіші фрагменттерге бөлу арқылы. Бұл өз кезегінде РНК-араласу арқылы белгілі бір генді үндемейді. siRNA және miRNA арасындағы айырмашылық – siRNA әдетте нақты mRNA тізбегіне қатысты болса, miRNA толыққанды түрде mRNA тізбегімен сәйкес келмейді. miRNA ұқсас тізбектерге ие нысаналармен өзара әрекеттесе алады, бұл түрлі гендердің трансляциясын тежейді. Жалпы алғанда, РНК-араласуы адамдар сияқты тірі организмдердегі қалыпты процестердің маңызды бөлігі болып табылады және қазірде ол рак ауруын диагностикалау және емдеу құралы ретінде зерттеліп жатыр.
Қатерлі ісік
Зыянды қатерлі ісіктердегі өзгерген miRNA экспрессиясының профильдері miRNA-ның және осылайша дицердің қатерлі ісік дамуы мен болжамындағы маңызды рөлін көрсетеді. miRNA ісікті басушы ретінде жұмыс істей алады, сондықтан олардың өзгерген экспрессиясы ісіктің пайда болуына әкелуі мүмкін. Өкпе және жұмыртқа безі қатерлі ісігін талдау көрсеткендей, нашар прогноз және науқастың өмір сүру ұзақтығының қысқаруы дицер және дроша экспрессиясының төмендеуімен байланысты. Дицер мРНК деңгейінің төмендеуі ісіктің кеңірген сатысымен байланысты. Дегенмен, простата және қызыл ішек қатерлі ісіктері сияқты басқа қатерлі ісіктерде дицердің жоғары экспрессиясы науқастың нашар болжамымен байланысты екені анықталды. Қатерлі ісік түрлері арасындағы бұл қарама-қайшылық дицерге қатысты ерекше РНК-ның реттеу процестерінің әртүрлі ісік түрлерінде өзгеше екенін көрсетеді.
Вирустық патогенез
РНҚ вирустарымен жұғу РНҚi каскадын іске қосуы мүмкін. Дицер вирустық иммунитетке қатысы болуы мүмкін, себебі өсімдіктер мен жануарлар жасушаларын жұқтыратын вирустарда РНҚi жауабын тежеуге бағытталған ақуыздар кездеседі. Адамдарда ВИЧ-1, грипп және шешек вирустары мұндай РНҚ-ны басушы ақуыздарды кодтайды. Дицерді тежеу вирустың пайдасына, өйткені дицер вирустық екі тізбекті РНҚ-ны (dsРНК) кесіп, оның нәтижесін RISC-ке жүктеуге қабілетті, соның салдарынан вирустық мРНҚ-ны нақты жоюға мүмкіндік береді, осылайша инфекциямен күреседі. Вирустық патогенездің тағы бір мүмкін механизмі – жасушалық миРНҚ жолдарына тосқауыл қою үшін дицерді блокадалау.
Бөжәктерде
Дрозофилада Dicer 1 пре-миРНК-ны өңдеу арқылы микроРНК-ны (miRNA) жасайды, ал Dicer 2 ұзын қос тізлімді РНК-дан (dsRNA) кішкентай интерференциялық РНК-ны (siRNA) өндіруге жауапты. Жәндіктер Дицерді күшті вирустық қарсы құрал ретінде пайдалана алады. Бұл жағдай әсіресе маңызды, себебі масалар Батыс Нил вирусы, денге қызуы және сары қызу сияқты қауіпті арбовирустарды қоса, көптеген вирустық ауруларды таратуға жауапты. Масалар, әсіресе Aedes aegypti түрі, осы вирустардың таратушысы болып табылады, бірақ олар вирустың тікелей қожайыны емес. Вирустың таралуына себеп – аналық масаның жұмыртқасын дамыту үшін омыртқалы жануарлардың қанына деген қажеттілігі. Жәндіктердегі РНКi жолы басқа жануарлардың РНКi жолына өте ұқсас; Dicer 2 вирустық РНК-ны кесіп, оны RISC кешеніне жүктейді, онда бір тізлім РНКi өнімдерін жасау үшін матрица ретінде қызмет етеді, ал екінші тізлім ыдырайды. РНКi жолының функционалды емес компоненттеріне әкелетін мутациялары бар жәндіктерде, олар таситын вирустардың жүктемесі артады немесе оларға бейімділігі жоғарылайды. Адамдар сияқты, жәндіктер вирустары да РНКi жолынан қашу үшін механизмдерді дамытқан. Мысалы, Drosophila C вирусы 1A белгісін кодтайды, ол dsRNA-ға байланысып, оны Dicer кесуден және RISC жүктелуінен қорғайды. Heliothis virescens ascovirus 3a, RISC жүктелуін болдырмау үшін dsRNA субстраты үшін бәсекелесе алатын және siRNA дуплекстерін ыдырататын Dicer-дің RNase III домендеріне ұқсас RNase III ферментін кодтайды.
Диагностикалық және терапиялық қолдану
Дисер ферментінің экспрессия деңгейіне сүйене отырып, организмде ісіктердің болуын анықтауға қолданылады. Бір зерттеуде көптеген қатерлі ісік ауруына шалданған науқастардың Дисердің экспрессия деңгейі төмендегені байқалды. Сол зерттеуде Дисер экспрессиясының төмендеуі науқастың өмір сүру ұзақтығының қысқаруымен байланысты екені анықталды. siRNA екі түрлі жолмен сүтқоректі жануарларда, мысалы егешқұйрықтарда берілуі мүмкін екені көрсетілді. Бір жолы – жүйеге тікелей енгізу, бұл Дисердің жұмыс істеуін қажет етпейді. Екінші жолы – қысқа шашты РНК-ны кодтайтын плазмидтер арқылы енгізу, оларды Дисер siRNA-ға ыдыратады. Дисерді терапиялық мақсатта siRNA өндіру үшін пайдаланудың бір артықшылығы – қазіргі қолданылып жүрген антиденелер немесе кішкентай молекулалық тежегіштерге қарағанда, оның әсер ете алатын нысаналардың ерекшелігі мен әртүрлілігі. Жалпы, кішкентай молекулалық тежегіштер ерекшелік жағынан қиын, сонымен қатар шыдамсыз жанама әсерлерге ие. Антиденелер siRNA сияқты ерекше, бірақ олар лигандтар мен беткі рецепторларға ғана қарсы қолданылуымен шектеледі. Ал, siRNA инъекциясының негізгі кедергісі – жасушаларға сіңу тиімділігінің төмен болуы. Сонымен қатар, miRNA-ны терапиялық мақсатта өндірудің ерекшелігі төмен, себебі miRNA-ның mRNA-ға байланысуы үшін тек 6-8 нуклеотидтік базалық жұптасу жеткілікті.
Дисер тәрізді ақуыздар
Өсімдік геномдары жануарлар мен жәндіктердің дисеріне ұқсас функциялары мен белок домендері бар дисерге ұқсас ақуыздарды кодтайды. Мысалы, Arabidopsis thaliana үлгілі организмінде төрт дисерге ұқсас ақуыз жасалады және олар DCL1-ден DCL4-ке дейін деп белгіленеді. DCL1 miRNA жасауға және инвертті қайталаулардан sRNA өндіруге қатысады. DCL2 вирустық иммунитет пен қорғанысқа көмектесетін цис-әрекетті антисенс транскрипттерден siRNA жасайды. DCL3 хроматин өзгертуге көмектесетін siRNA өндіреді, ал DCL4 трансактивті siRNA метаболизміне және транскрипциядан кейінгі деңгейде транскрипттерді үнсіздетуге қатысады. Сонымен қатар, DCL1 және DCL3 Arabidopsis гүлдеуі үшін маңызды. Arabidopsis-те DCL жою ауыр даму проблемаларын тудырмайды. Күріш пен жүзім де DCL-ді өндіреді, себебі дисер механизмі көптеген организмдердің жалпы қорғаныс стратегиясы болып табылады. Күріш өзі өндіретін бес DCL үшін басқа функцияларды дамытты және олар Arabidopsis-ке қарағанда функция және дамуда маңыздырақ рөл атқарады. Сонымен қатар, күріштің әртүрлі өсімдік жасушаларында экспрессия үлгілері әртүрлі, ал Arabidopsis-те экспрессия біртектірек. Күріш DCL экспрессиясына құрғақшылық, тұздылық және суық сияқты биологиялық стресс жағдайларының әсері тиюі мүмкін. Осылайша, бұл стресс факторлары өсімдіктің вирустық төзімділігін төмендетуі мүмкін. Arabidopsis-тен айырмашылығы, күріште DCL ақуыздарының функциясын жоғалту даму ақауларын тудырады.