Кіріспе
Жетілген мРНК-ның 3'-ұшына аденоликті қышқылдардың қосылуы Полиаденилирлеу – РНК транскриптіне, әдетте хабаршы РНК-ға (мРНК) поли(А) құйрығын қосу процесі. Поли(А) құйрығы көптеген аденозин монофосфаттарынан тұрады, яғни бұл тек аденин негіздерінен ғана тұратын РНК бөлігі. Эукариоттарда полиаденилирлеу – аудармаға дайын мРНК-ны құру процесінің бір бөлігі. Көптеген бактерияларда поли(А) құйрығы мРНК-ның ыдырауын күшейтеді. Сондықтан, ол гендік экспрессияның кең процесінің бір бөлігі болып табылады. Полиаденилирлеу процесі геннің транскрипциясы аяқталғанда басталады. Жаңа түзілген пре-мРНК-ның 3' ұшы алдымен белгілі бір ақуыздар кешенімен кесіледі, содан кейін осы ақуыздар РНК-ның 3' ұшында поли(А) құйрығын синтездейді. Кейбір гендерде бұл ақуыздар поли(А) құйрығын бірнеше мүмкін болатын орындардың біріне қосады. Осылайша, полиаденилирлеу бір геннен бірнеше транскрипттерді (балама полиаденилирлеу) құруға мүмкіндік береді, бұл балама тіліс сияқты. Алайда, кейбір жасуша түрлерінде қысқа поли(А) құйрығы бар мРНК цитозольде қайта полиаденилирлеу арқылы кейінірек белсендірілу үшін сақталады. Бұл кейде кодтамайтын эукариоттық РНК-ларға да қатысты. Прокариоттар мен эукариоттардағы мРНК молекулаларының 3' ұштары полиаденилирленген, бірақ прокариоттардағы поли(А) құйрықтары әдетте қысқарақ болады және полиаденилирленген мРНК молекулаларының саны аз.
Polyadenylation is the addition of a poly(A) tail to an RNA transcript, typically a messenger RNA (mRNA). The poly(A) tail consists of multiple adenosine monophosphates; in other words, it is a stretch of RNA that has only adenine bases. In eukaryotes, polyadenylation is part of the process that produces mature mRNA for translation. In many bacteria, the poly(A) tail promotes degradation of the mRNA. It, therefore, forms part of the larger process of gene expression. The process of polyadenylation begins as the transcription of a gene terminates. The 3′ most segment of the newly made pre mRNA is first cleaved off by a set of proteins; these proteins then synthesize the poly(A) tail at the RNA's 3′ end. In some genes these proteins add a poly(A) tail at one of several possible sites. Therefore, polyadenylation can produce more than one transcript from a single gene (alternative polyadenylation), similar to alternative splicing. However, in a few cell types, mRNAs with short poly(A) tails are stored for later activation by re polyadenylation in the cytosol. This is also sometimes the case for eukaryotic non coding RNAs. mRNA molecules in both prokaryotes and eukaryotes have polyadenylated 3′ ends, with the prokaryotic poly(A) tails generally shorter and fewer mRNA molecules polyadenylated.
РНК-ның негізі
РНК – ірі биологиялық молекулалардың бір түрі, олардың жеке құрылыс блоктары нуклеотидтер деп аталады. Поли(А) құйрығы (полиаденил қышқылының құйрығы) атауы РНК нуклеотидтерін қысқартып жазу тәсілін көрсетеді, онда нуклеотидтегі негізге сәйкес әріп қолданылады (аденин үшін А, цитозин үшін С, гуанин үшін G және урацил үшін U). РНК ДНК матрицасынан (транскрипциялану) жасалады. Конвенция бойынша, РНК тізбектері 5'-ден 3'-ге қарай жазылады. 5' ұшы – РНК молекуласының алдымен транскрипцияланатын бөлігі, ал 3' ұшы – соңғы транскрипцияланатын бөлігі. Полиаденилденген РНК-да поли(А) құйрығы 3' ұшында орналасқан. Мессенджерлік РНК (мРНК) – ақуыз синтезіне (аудармаға) матрица ретінде қызмет ететін кодтау аймағына ие РНК. мРНК-ның қалған бөлігі, яғни трансляцияланбаған аймақтар, мРНК белсенділігін реттейді. Сондай-ақ, кодтамайтын РНК деп аталатын, аудармаланбайтын көптеген РНК түрлері де бар. Трансляцияланбаған аймақтар сияқты, олардың көптегені де реттеуші рөл атқарады.
Функция
Ядролық полиаденилдеу кезінде транскрипция аяқталғанда РНК-ға поли(А) құйрығы қосылады. МРНК-да поли(А) құйрығы мРНК молекуласын цитоплазмадағы ферменттік ыдыраудан қорғайды және транскрипцияны тоқтатуға, мРНК-ның ядродан экспортталуына және трансляцияға көмектеседі, жануарлардың репликацияға тәуелді гистон мРНК-ларын қоспағанда. Бұл эукариоттарда поли(А) құйрығы жоқ жалғыз мРНК, олардың орнына сабақ-ілмек құрылымымен аяқталады, одан кейін пуринге бай тізбек, гистонның төменгі ағысындағы элементі деп аталады, ол РНК-ның қай жерден кесілуін анықтайды, соның нәтижесінде гистон мРНК-ның 3' ұшы қалыптасады. Көптеген эукариоттық кодтамайтын РНК-лар транскрипция аяқталғанда әрқашан полиаденилденеді. Поли(А) құйрығы тек аралық формаларда ғана көрінетін және өңдеу кезінде ұштары алынып тасталатын кішкентай РНК-лар бар, мысалы микроРНК. Бірақ көптеген ұзақ кодтамайтын РНК-лар үшін – реттеуші РНК-лардың үлкен тобы, мысалы, X хромосомасының инактивациясын қамтамасыз ететін Xist РНК – поли(А) құйрығы жетілген РНК-ның құрамына кіреді.
Өлі энилдеу
Эукариоттық соматикалық жасушаларда цитоплазмадағы көптеген мРНҚ-лардың поли(А) құйрықтары біртіндеп қысқарады, ал қысқа поли(А) құйрықтары бар мРНҚ-лар аз аударылады және тезірек ыдырайды. Дегенмен, мРНҚ-ның ыдырауына бірнеше сағат уақыт қажет болуы мүмкін. Бұл деаденилирлеу және ыдырау процесін мРНҚ-ның 3’ трансляцияланбаған аймағына толыққанды микроРНҚ-лар жылдамдатуы мүмкін. Дамымаған жұмыртқа жасушаларында қысқа поли(А) құйрықтары бар мРНҚ-лар ыдырамайды, керісінше сақталады және трансляциялық тұрғыдан белсенді емес. Бұл қысқа құйрықты мРНҚ-лар ұрықтанғаннан кейін, ұрық активтелу кезінде цитоплазмалық полиаденилирлеу арқылы белсендіріледі. Жануарларда поли(А) рибонуклеазасы (PARN) 5’ қақпаққа байланысып, поли(А) құйрығынан нуклеотидтерді алып тастай алады. 5’ қақпақ пен поли(А) құйрығына қолжетімділік деңгейі мРНҚ-ның қаншалықты тез ыдырайтынын бақылауда маңызды. PARN деаденилирлеуін РНК-ның 4E (5’ қақпақта) және 4G (поли(А) құйрығында) бастау факторларымен байланысуы кезінде азайтады, сондықтан трансляция деаденилирлеуді төмендетеді. Деаденилирлеу жылдамдығы РНК байланыстырушы ақуыздармен де реттелуі мүмкін. Сонымен қатар, РНК үштік спиральді құрылымдар мен РНК мотивтері, мысалы, поли(А) құйрығының 3’ ұшымен байланысатын қалталар, деаденилирлеу процесін баяулатып, поли(А) құйрығын алып тастауға кедергі келтіреді. Поли(А) құйрығы алынып тасталғаннан кейін, 5’ қақпақты алып тастау кешені РНК-ның ыдырауына әкеледі. Бірнеше басқа ақуыздар, әсіресе CCR4 Not кешені, бүршікленуші ашытқы және адам жасушаларында деаденилирлеуге қатысады.
Цитоплазмалық полиаденилдеу
Кейбір жануарлар жасушаларының цитозолында, атап айтқанда, гермдік жасушаларда, ерте эмбриогенез кезінде және жүйке жасушаларының постсинаптикалық орындарында полиаденилирлеу жүзеге асады. Бұл мРНК-ның қысқарған поли(А) құйрығын ұзартады, нәтижесінде мРНК трансляцияланады. Мұндай қысқартылған поли(А) құйрықтары көбінесе 20 нуклеотидтен кем болады және шамамен 80–150 нуклеотидке дейін ұзартылады. Ерте тышқан эмбрионында аналық РНК-ның цитоплазмалық полиаденилирлеуі, транскрипция 2 жасушалық сатының ортасына дейін (адамда 4 жасушалық саты) басталмаса да, жасушаның тірі қалуына және өсуіне мүмкіндік береді. Мида цитоплазмалық полиаденилирлеу оқу кезінде белсенді болады және ұзақ мерзімді потенцияциядағы рөлін атқара алады, ол – жүйке импульстарына жауап ретінде бір жүйке жасушасынан екінші жүйке жасушасына сигнал беруді күшейту және оқу мен есте сақтау үшін маңызды. Цитоплазмалық полиаденилирлеуге РНК-ға байланысатын CPSF және CPEB ақуыздары қажет, сондай-ақ Pumilio сияқты басқа РНК-ға байланысатын ақуыздар да қатысуы мүмкін. Жасуша түріне байланысты полимераза ядролық процесте қолданылатын полиаденилирлеу полимеразасының (PAP) сол түрі немесе цитоплазмалық полимераза GLD 2 болуы мүмкін.
Альтернативті полиаденилдеу
Көптеген белокты кодтайтын гендерде бірнеше полиаденилдену орны болады, сондықтан ген 3’ ұшымен ерекшеленетін бірнеше мРНК-ны кодтай алады. Транскрипттың 3’ аймағында көптеген полиаденилдену сигналдары (ПАС) кездеседі. ПАС-тың проксимальді (5’ ұшына жақын) орны қолданылғанда, транскрипттың 3’ аударылмаған аймағының (3’ UTR) ұзындығы қысқарады. Адамдар мен шыбындарда жүргізілген зерттеулер тіндік ерекшеліктегі АПА-ны көрсетті. Нейрондық тіндер дистальді ПАС-ты пайдалануға бейім, бұл ұзақ 3’ UTR-ға алып келеді, ал ұрықтық тіндер проксимальді ПАС-ты пайдалануға бейім, бұл қысқа 3’ UTR-ға алып келеді. Зерттеулер геннің сақталу деңгейі мен баламалы полиаденилденуге бейімділігі арасындағы байланысты көрсетті, жоғары сақталған гендерде АПА көбірек байқалады. Сол сияқты, жоғары экспрессияланатын гендер де осы үлгіні ұстанады. Рибосомалық секвенирлеу деректері (рибосома ішіндегі мРНК-ның секвенирлеуі) қысқа 3’ UTR-ы бар мРНК изоформаларының трансляциялану мүмкіндігінің жоғары екенін көрсетті. Бұл сонымен қатар 3’ UTR-да микроРНК үшін қол жетімді байланыс орындарын өзгерте алады. МикроРНК-лар трансляцияны басады және оларға байланысқан мРНК-ның ыдырауын күшейтеді, бірақ транскрипттерді тұрақтандыратын микроРНК-лардың мысалдары да бар. Баламалы полиаденилдену кодиру аймағын қысқартуға да мүмкіндік береді, нәтижесінде мРНК басқа белокты кодтайды, бірақ бұл 3’ аударылмаған аймақты қысқартуға қарағанда сирек кездеседі. Мысалы, CstF 64 экспрессиясы, яғни бөлінуді ынталандыратын фактордың (CstF) суббірлігі, макрофагтарда липополисахаридтерге (иммундық жауапты тудыратын бактериялық қосылыстар тобы) жауап ретінде артады. Бұл әлсіз поли(А) сигналдарын таңдауға және осылайша қысқа транскрипттерге әкеледі. Бұл лизозим және TNF α сияқты қорғанысқа қатысты өнімдердің мРНК-ларының 3’ аударылмаған аймақтарындағы реттеуші элементтерді жояды. Нәтижесінде бұл мРНК-лардың жартылай өмір сүру мерзімі ұзарады және олар осы ақуыздарды көбірек өндіреді. ДНҚ метилирлеуі полиаденилдену сигналының жанында да болуы мүмкін. Сонымен қатар, транскрипцияға, сплайсингке немесе РНК биологиясын реттейтін басқа да механизмдерге қатысқан көптеген басқа компоненттер АПА-ға әсер етуі мүмкін.
Эукариоттарда ыдырау үшін таңбалау
Көптеген кодтамайтын РНК-лар үшін, соның ішінде тРНК, рРНК, snРНК және snoРНК үшін, полиаденилирлеу – бұл РНК-ны, кем дегенде ашытқыда, ыдырауға белгілеудің бір жолы. Бұл полиаденилирлеуді ядрода TRAMP кешені жүзеге асырады, ол 3' ұшына шамамен 4 нуклеотидтен тұратын құйрықты қосады. Содан кейін РНК экзосомамен ыдырайды. Поли(А) құйрықтары адам рРНК фрагменттерінде де кездеседі, олар гомополимерлік (тек А) және гетерополимерлік (көбінесе А) түрлерде болады.
Прокариоттар мен органелдерде
Көптеген бактерияларда мРНҚ және кодтамайтын РНҚ полиаденолирленуі мүмкін. Бұл поли(А) құйрығы деградосома арқылы ыдырауды күшейтеді, ол екі РНҚ ыдырату ферментін қамтиды: полинуклеотид фосфорилаза және RNase E. Полинуклеотид фосфорилаза РНҚ-ның 3′ ұшына байланысады, ал поли(А) құйрығының 3′ кеңейтілуі оған әйтпесе 3′ ұшын бөгеп тастайтын екінші құрылымға ие РНҚ-ға байланысуға мүмкіндік береді. Полиаденилденудің қайталама раундтары және полинуклеотид фосфорилазамен 3′ ұшының ыдырауы деградосоманың осы екінші құрылымдарды жеңуіне мүмкіндік береді. Поли(А) құйрығы РНҚ-ны екіге бөлетін РНҚазаларды да тарта алады. Бұл бактериялық поли(А) құйрықтарының ұзындығы шамамен 30 нуклеотидке жетеді. Жануарлар мен трипаносомалар сияқты әртүрлі топтарда митохондриялар тұрақтандыратын және тұрақсыздандыратын поли(А) құйрықтарын қамтиды. Тұрақсыздандыратын полиаденилирлеу мРНҚ және кодтамайтын РНҚ-ның екеуіне де әсер етеді. Поли(А) құйрықтарының орташа ұзындығы 43 нуклеотидті құрайды. Тұрақтандыратындары тоқтату кодонынан басталады, оларсыз тоқтату кодоны (UAA) толық емес, себебі геном тек U немесе UA бөлігін кодтайды. Өсімдік митохондрияларында тек тұрақсыздандыратын полиаденилирлеу жүреді. Митохондриялық полиаденилирлеу бүршіктеп өсетін немесе бөлінетін ашытқыларда ешқашан байқалған жоқ. Көптеген бактериялар мен митохондрияларда полиаденолиат полимеразалары бар, бірақ полинуклеотид фосфорилазаның өзі жүзеге асыратын полиаденилирлеудің тағы бір түрі де бар. Бұл фермент бактерияларда, митохондрияларда, пластидтерде және экзосомасы бар археяларда археялық экзосоманың құраушысы ретінде кездеседі. Ол негіздердің басым көпшілігі аденин болатын 3′ кеңейтімді синтездеуге қабілетті. Бактериялардағыдай, полинуклеотид фосфорилазамен полиаденилдену пластидтердегі РНҚ-ның және, мүмкін, археялардың ыдырауын күшейтеді. Алайда, бұл модификацияның кең таралуы және оның тірі организмдердің барлық үш доменінде кездесуі барлық тірі организмдердің соңғы ортақ ата-бабасының полиаденилирлеу жүйесінің қандай да бір түрі болған деген болжамға әкеледі. Ең көне полиаденилирлеуші фермент – полинуклеотид фосфорилаза. Бұл фермент бактериялық деградосоманың және археялық экзосоманың бөлігі болып табылады, бұл РНҚ-ны нуклеотидтерге қайта өңдейтін екі тығыз байланысты кешен. Бұл фермент 3′-ұшындағы нуклеотидтер арасындағы фосфат байланысына шабуыл жасап, дифосфат нуклеотидін бөліп, РНҚ-ны ыдыратады. Бұл реакция қайтымды, сондықтан фермент РНҚ-ны қосымша нуклеотидтермен ұзартуға да қабілетті. Полинуклеотид фосфорилаза қосып алған гетерополимерлік құйрық аденинге өте бай. Адениннің таңдалуы, әрине, АТФ энергия валютасы ретінде қолданылуының нәтижесінде басқа нуклеотидтерге қарағанда АДФ концентрациясының жоғары болуынан туындайды, бұл ертедегі тіршілік формаларында осы құйрыққа енуіне ықпал етеді. Аденинге бай құйрықтардың РНҚ ыдырауына қатысуы полиаденил полимеразалардың (тек басқа нуклеотидтері жоқ поли(А) құйрықтарын жасайтын ферменттер) кейінгі эволюциясын тудырды деп ұсынылған. Полиаденил полимеразалар көне емес. Олар бактериялар мен эукариоттарда CCA қосатын ферменттен жеке-жеке дамыды, бұл тРНҚ-ның 3′ ұштарын толықтыратын фермент. Оның каталитикалық домені басқа полимеразалардың доменімен гомологты. Коронавирус, Альфальфа мозаикалық вирусы және Әтеш гепатиті А. Кейбір вирустар, мысалы, ВИЧ-1 және полиовирус, өзінің гендерінің экспрессиясын ұлғайту үшін жасушаның поли(А) байланыстырушы ақуызын (PABPC1) тежейді.
Тарих
Поли(А) полимераза алғаш рет 1960 жылы жасуша ядроларынан алынған экстракттерде АТФ-ты полиаденинге полимерлеуге, бірақ АДФ-ты полимерлеуге қабілетті ферменттік белсенділік ретінде анықталды. Көптеген жасуша түрлерінде анықталғанмен, бұл белсенділіктің қызметі 1971 жылға дейін белгісіз болды, сол кезде мРНҚ-да поли(А) тізбектері табылды. Алғашқыда бұл тізбектердің жалғыз қызметі РНК-ның 3' ұшын нуклеазалардан қорғау деп есептелді, бірақ кейіннен полиаденилирлеудің ядродан шығу және трансляциядағы нақты рөлі анықталды. Полиаденилирлеуге жауапты полимеразалар алғаш рет 1960-1970 жылдары тазартылып, сипатталды, бірақ бұл процесті басқаратын көптеген қосымша ақуыздар тек 1990 жылдардың басында ғана ашылды.