Антысез РНК: құрылысы, функциялары және геномдық реттеудегі рөлі
Antisense RNA
Ангисеңс РНК (asRNA) туралы: құрылымы, қалай жұмыс істейтіні, прокариоттар мен эукариоттардағы ролі. Жаңа зерттеу әдістері мен ColE1 плазмидідегі маңызы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Антисенс РНК (asRNA), сондай-ақ антисенс транскрипті, табиғи антисенс транскрипті (NAT) немесе антисенс олигонуклеотид деп аталады, бұл бір тізбекті РНК, ол ақуызды кодтайтын хабаршы РНК (mRNA) -ға толықтырылады, оған гибридтесіп, осылайша оның ақуызға аударылуын тоқтатады. Антисенс РНК-лар (табиғи түрде кездесетін) прокариоттар мен эукариоттарда да табылған. Жоғарыда аталған тәсілдердің нәтижесінде көптеген антисенс РНК-лар анықталғанымен, олардың тек бір бөлігі ғана қосымша функционалдық сынақтар арқылы нақты антисенс РНК екені дәлелденді. Қате оң нәтижелердің санын азайту үшін соңғы жылдардағы жаңа тәсілдер тізбекке қатысты транскрипцияға, хроматинмен байланысатын кодтамайтын РНК-ға және жеке жасуша зерттеулеріне бағытталған.
Antisense RNA (asRNA), also referred to as antisense transcript, natural antisense transcript (NAT) or antisense oligonucleotide, is a single stranded RNA that is complementary to a protein coding messenger RNA (mRNA) with which it hybridizes, and thereby blocks its translation into protein. The asRNAs (which occur naturally) have been found in both prokaryotes and eukaryotes, Although many findings from the approaches mentioned above gave rise to a lot of possible asRNAs, only few were proven to be actual asRNAs via further functional tests. To minimize the number of false positive results, new approaches from recent years have been focusing on strand specific transcription, chromatin binding noncoding RNAs and single cell studies.
Түрлер арасындағы мысалдар
Бастапқыда ашылған asRNA-лар плазмидтер, бактериофагтар және бактерияларды қоса алғанда, прокариоттарда кездесті. Мысалы, ColE1 плазмидіндегі RNA I деп аталатын asRNA, репликацияны бақылау арқылы плазмидтің көшірме санының анықталуында маңызды рөл атқарады. ColE1 репликациясы RNA II деп аталатын праймерлік RNA-ның транскрипциясына тәуелді. RNA II транскрипцияланғаннан кейін, ол ДНК матрицасына гибридтеледі, содан кейін RNase H ферментімен кесіледі. RNA I-нің қатысуымен, RNA I және RNA II дуплекс құрайды, бұл RNA II-нің конформациялық өзгерісіне әкеледі. Осының салдарынан, RNA II ДНК матрицасымен гибридтеле алмайды, нәтижесінде ColE1-дің көшірме саны төмендейді. P22 бактериофагында asRNA sar литикалық және лизогендік циклдер арасындағы реттелуге көмектеседі, Ant экспрессиясын бақылайды. Прокариоттарда экспрессияланудан басқа, asRNA-лар өсімдіктерде де табылды. Өсімдіктердегі asRNA реттелудің ең жақсы сипатталған мысалы – Flowering Locus C (FLC) гені. Arabidopsis thaliana-дағы FLC гені, гүлдеуге ықпал ететін гендердің экспрессиясын тоқтатып тұратын транскрипциялық факторды кодтайды. Суық ортада FLC генінің asRNA-сы, COOLAIR деп аталады, экспрессияланып, хроматин модификациясы арқылы FLC экспрессиясын тежейді, соның нәтижесінде гүлдеуге мүмкіндік туады. Тағы бір жақсы зерттелген мысал – DOG1 (Germination Delay 1) гені. Оның экспрессия деңгейі цис-әрекеттегі антисенс транскрипті (asDOG1 немесе 1GOD) арқылы теріс реттеледі. Сүтқоректілер жасушаларында asRNA реттелудің классикалық мысалы – X хромосомасының инактивациясы. Xist, asRNA, поликомб репрессивтік кешен 2 (PRC2) комплексін тарта алады, бұл X хромосомасының гетерохроматиндануына әкеледі. Эпигенетикалық модификация тұрғысынан алғанда, цис-әрекеттегі дегеніміз – осы asRNA-лардың транскрипцияланатын локустар маңындағы эпигенетикалық өзгерістерді реттеу қабілеті. Жеке mRNA-ларды нысанаға алудың орнына, бұл цис-әрекеттегі эпигенетикалық реттеушілер хроматин модификациялайтын ферменттерді тарта алады, бұл транскрипция локустарына да, жақын орналасқан гендерге де әсер етеді. Гемоглобин альфа1 гені (HBA1) HBA1 үшін asRNA ретінде қызмет ететін және HBA1 промоторының метилирленуін тудыратын, Luc7-ге ұқсас (LUC71) РНК байланыстыратын белоктың аномальді транскриптісімен төмендетіледі. Дәлелдер asRNA-лардың гистон метилирлеуін тудыруға қабілетті екенін көрсетеді. Мысалы, ANRIL, ДНК метилирлеуін тудыру қабілетімен қатар, поликомб репрессивтік кешен 2 (PRC2) комплексін тарту арқылы CDKN2B және CDKN2A көрші гендерін де басады, бұл гистон метилирлеуіне (H3K27me) әкеледі. Тағы бір классикалық мысал – XIST арқылы X хромосомасының инактивациясы. Біріншіден, asRNA-лар мен антагоNAT-тар RNase немесе басқа ыдырату ферменттерімен оңай ыдырайды. Терапевтикалық олигонуклеотидтердің ыдырауын болдырмау үшін, әдетте химиялық модификация қажет. Олигонуклеотидтердегі ең көп таралған химиялық модификация – омыртқаға фосфоротиоат байланысын қосу. Алайда, фосфоротиоат модификациясы қабынуға ықпал етуі мүмкін. Фосфоротиоат модификацияланған олигонуклеотидтерді жергілікті инъекциядан кейін қызба, дікілдеу немесе жүрек ауруы байқалуы мүмкін. Екіншіден, мақсаттан тыс уыттану да үлкен мәселе. Эндогенді asRNA-лардың локустық ерекшелігіне қарамастан, синтезделген олигонуклеотидтердің тек 10–50% ғана күтілген нысаналық әсерді көрсетті. Бұл мәселенің бір себебі – мақсатты тізбек пен RNase H-мен танылуы үшін asRNA құрылымына қойылатын жоғары талаптар. Бір ғана сәйкес келмеу екінші құрылымның бұзылуына және мақсаттан тыс әсерлерге әкелуі мүмкін. Соңында, жасанды asRNA-лардың жасуша ішіне сіңірілуі шектеулі екені көрсетілді. Нейрондар мен глиялардың жалаңаш антисенс олигонуклеотидтерді еркін сіңіруге қабілеттілігі көрсетілсе де, вирус және липидтік везикулалар сияқты іздеуге болатын тасымалдаушылар жасуша ішілік концентрацияны және метаболизмді бақылау және мониторингтеу үшін әлі де идеалды болар еді.
The initial asRNAs discovered were in prokaryotes including plasmids, bacteriophage and bacteria. For example, in plasmid ColE1, the asRNA termed RNA I plays an important role in determining the plasmid copy number by controlling replication. The replication of ColE1 relies on the transcription of a primer RNA named RNA II. Once RNA II is transcribed, it hybridizes to its DNA template and later cleaved by RNase H. In the presence of the asRNA RNA I, RNA I and RNA II forms a duplex which introduces a conformational change of RNA II. Consequently, RNA II cannot hybridize with its DNA template which results in a low copy number of ColE1. In bacteriophage P22, the asRNA sar helps regulate between lytic and lysogenic cycle by control the expression of Ant. Besides being expressed in prokaryotes, asRNAs were also discovered in plants. The most well described example of asRNA regulation in plants is on Flowering Locus C (FLC) gene. FLC gene in Arabidopsis thaliana encodes for a transcription factor that prevent expression of a range of genes that induce floral transition. In cold environment, the asRNA of FLC gene, denoted COOLAIR, is expressed and inhibits the expression of FLC via chromatin modification which consequently allows for flowering. Another well studied example is DOG1 (Delay of Germination 1) gene. Its expression level is negatively regulated by the antisense transcript (asDOG1 or 1GOD) acting in cis. In mammalian cells, a typical example of asRNA regulation is X chromosome inactivation. Xist, an asRNA, can recruit polycomb repressive complex 2 (PRC2) which results in heterochromatinization of the X chromosome. In terms of epigenetic modification, cis acting refers to the nature of these asRNAs that regulate epigenetic changes around the loci where they are transcribed. Instead of targeting individual mRNAs, these cis acting epigenetic regulators can recruit chromatin modifying enzymes which can exert effects on both the transcription loci and the neighboring genes. hemoglobin alpha1 gene (HBA1) is downregulated by an abnormal transcript of putative RNA binding protein Luc7 like (LUC71) that serves as an asRNA to HBA1 and induces methylation of HBA1's promoter. Evidence has shown histone methylation can be induced by asRNAs. For instance, ANRIL, in addition to the ability to induce DNA methylation, can also repress the neighboring gene of CDKN2B, CDKN2A, by recruiting polycomb repressive complex 2 (PRC2) which leads to histone methylation (H3K27me). Another classic example is X chromosome inactivation by XIST. First of all, asRNAs and antagoNATs can be easily degraded by RNase or other degrading enzymes. To prevent degradation of the therapeutic oliogoneucleotides, chemical modification is usually required. The most common chemical modification on the oligonucleotides is adding a phosphorothioate linkage to the backbones. However, the phosphrothioate modification can be proinflammatory. Adverse effects including fever, chills or nausea have been observed after local injection of phosphrothioate modified oligonucleotides. Secondly, off target toxicity also represents a big problem. Despite the locus specific nature of the endogenous asRNAs, only 10–50% synthesized oligonucleotides showed expected targeting effect. One possible reason for this problem is the high requirement on the structure of the asRNAs to be recognized by the target sequence and RNase H. A single mismatch can result in distortion in the secondary structure and lead to off target effects. Lastly, artificial asRNAs have been shown to have limited intracellular uptake. Although neurons and glia have been shown to have the ability to freely uptake naked antisense oligonucleotides, a traceable carriers such as virus and lipid vesicles would still be ideal to control and monitor the intracellular concentration and metabolism.