Кіріспе

Ақуызға аударылмайтын рибонуклеин қышқылының класы. Кодталмаған РНК (ncRNA) – ақуызға аударылмайтын функционалды РНК молекуласы. Функционалды кодталмаған РНК транскрипцияланатын ДНҚ тізбегін көбінесе РНК ген деп атайды. Кодталмаған РНК-ның көптеп кездесетін және функционалдық маңызды түрлеріне трансфер РНК-лары (tRNA) және рибосомалық РНК-лары (rRNA), сондай-ақ микроРНК-лар, siRNA-лар, piRNA-лар, snoRNA-лар, snRNA-лар, exRNA-лар, scaRNA-лар және Xist және HOTAIR сияқты ұзын ncRNA-лар жатады. Адам геномындағы кодталмаған РНК-ның саны белгісіз, алайда соңғы транскриптомикалық және биоинформатикалық зерттеулер мыңдаған кодталмайтын транскрипттер бар екенін көрсетеді. Жаңа анықталған ncRNA-лардың көпшілігі олардың функциясы бойынша расталмаған. Әдебиетте кодталмаған транскрипцияның қаншалықты функционалды екендігі туралы бір пікірге келмеушілік бар. Кейбір зерттеушілер көптеген ncRNA-лар функционалды емес (кейде "қоқыс РНК" деп аталады), тегіс транскрипциялар деп санайды. Дегенмен, басқалары оған келіспейді, көптеген кодталмайтын транскрипттердің функциялары бар және осы функциялар ашылуда, алдағы уақытта да ашыла беретінін айтады.

Тарих және ашылу

Нуклеин қышқылдары алғаш рет 1868 жылы Фридрих Мишермен ашылды, ал 1939 жылы РНК протеин синтезіне қатысты екені анықталды. Екі онжылдықтан кейін Фрэнсис Крик аударма процесіне қатысатын функционалды РНК компонентін болжады; ол РНК таза полипептидке қарағанда мРНК транскриптімен негіздік жұптасуға жақсырақ мүмкіндік береді деп есептеді. Кодтамайтын алғашқы РНК – нан пісіруші ашытқысында табылған аланин тРНК болды, оның құрылымы 1965 жылы жарияланды. Тазартылған аланин тРНК үлгісін алу үшін Роберт В. Холли және әріптестері 140 кг коммерциялық нан пісіруші ашытқысын пайдаланып, нәтижеде талдау үшін бар болғаны 1 г тазартылған tRNAAla алды. 80 нуклеотидті тРНК алдымен панкреатикалық рибонуклеазамен (цитозин немесе уридинмен аяқталатын фрагменттерді тудырады), содан кейін такадиастаза рибонуклеазасы Tl-мен (гуанозинмен аяқталатын фрагменттерді тудырады) қосылып кесілді. Хроматография және 5' және 3' ұштарын анықтау РНК тізбегін құру үшін фрагменттерді реттеуге көмектесті. 1974 жылы екі тәуелсіз зерттеу тобы жүргізген рентгендік кристаллографиялық талдаудан кейін үш жапырақты екіншілік құрылымы толыққанды болды. Рибосомалық РНК содан кейін, ал 1980-ші жылдардың басында URNA ашылды. Содан бері snoRNA, Xist, CRISPR және тағы да көптеген жаңа кодтамайтын РНК ашылулары жалғасып келеді. Жақындағы маңызды жаңалықтарға рибосвитчтер мен миРНК кіреді; соңғысымен байланысты РНКi механизмін ашу Крейг С. Мелло мен Эндрю Файрге 2006 жылғы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын әкелді. ncРНК-ның жақындағы ашылулары эксперименттік және биоинформатикалық әдістердің көмегімен жүзеге асырылды.

Биологиялық рөлдері

Кодталмаған РНК бірнеше топқа жатады және көптеген жасушалық процестерге қатысады. Олардың ішінде барлық немесе көптеген жасушалық тіршілікте сақталатын, маңызды нкРНК-лардан бастап, бір немесе бірнеше жақын туысқан түрлерге ғана тән, уақытша нкРНК-лар бар. Көбінесе сақталған нкРНК-лар соңғы ортақ ата-бабадан және РНК әлемінен қалған молекулалық иеліктер немесе қалдықтар деп есептеледі, ал олардың қазіргі рөлі негізінен ДНК-дан ақуызға ақпарат ағынын реттеуге байланысты.

Аударма

Көптеген сақталған, маңызды және көп таралған нкРНК-лар аудармаға қатысады. Рибонуклеопротеиндер (РНП) бөлшектері – рибосомалар – клеткада аударма жүзеге асырылатын "зауыттар" болып табылады. Рибосоманың 60%-дан астамы рибосомалық РНК-дан тұрады; олар прокариоттарда 3 нкРНК-дан, ал эукариоттарда 4 нкРНК-дан құралған. Рибосомалық РНК нуклеотидтік тізбектерді белокқа аудару процесін катализдейді. ncRNA-ның тағы бір тобы – Трансфер РНК (Transfer RNAs) – мРНК мен белок арасында "адаптор молекуласы" қызметін атқарады. H/ACA қорапшасы және C/D қорапшасы бар snoRNA-лар археялар мен эукариоттарда кездесетін нкРНК-лар. RNase MRP тек эукариоттарға ғана тән. Екі топтағы нкРНК-лардың да рРНК пісіп жетілуіне қатысы бар. snoRNA-лар rРНК, tРНК және snРНК-ның ковалентті модификацияларын бақылайды; RNase MRP 18S және 5.8S rРНК-лары арасындағы ішкі транскрипцияланған аралық кеңістікті (internal transcribed spacer 1) кесіп шығарады. Кездесетін барлық жерде таралған нкРНК, RNase P, RNase MRP-нің эволюциялық туысы болып табылады. RNase P, прекурсор tРНК-ның 5' жетекші элементтерін кесіп, tРНК тізбектерін пісіріп, 5' соңын қалыптастырады. SRP деп аталатын тағы бір кең таралған РНП, эукариоттарда эндоплазмалық торшаға, ал прокариоттарда плазмалық мембранаға белгілі бір жаңа түзілген белоктарды таниды және тасымалдайды. Бактерияларда трансфер-мессенджер РНК (tmRNA) – тоқтап қалған рибосомаларды құтқаруға, толық емес полипептидтерді белгілеуге және бұзылған мРНК-ның ыдырауын жеделдетуге қатысатын РНП.

РНК-ның тігілуінде

Эукариоттарда сплайцесома интрон тізбектерін жоюға қажетті сплайсинг реакцияларын жүзеге асырады, бұл процесс толыққанды мРНК-ның қалыптасуы үшін қажет. Сплицеосома – бұл тағы бір РНП, көбінесе snРНП немесе три-snРНП деп аталады. Сплицеосоманың негізгі және кіші екі түрі бар. Негізгі сплайцеосоманың ncРНК құрауыштары U1, U2, U4, U5 және U6 болып табылады. Кіші сплайцеосоманың ncРНК құрауыштары U11, U12, U5, U4atac және U6atac болып табылады. Интрондардың тағы бір тобы өздерін иесі транскрипттерден шығаруды катализдеуге қабілетті; олар өздігінен тігілетін РНК деп аталады. Өздігінен тігілетін РНК-ның екі негізгі тобы бар: I топтағы каталитикалық интрон және II топтағы каталитикалық интрон. Бұл ncРНК-лар кең ауқымдағы организмдерде мРНК, tРНК және rРНК прекурсорларынан өздерінің экзициясын катализдейді. Сүтқоректілерде snoРНК-лар мРНК-ның баламалы тігілуін де реттей алатыны анықталды, мысалы, snoРНК HBII 52 серотонин рецепторы 2C тігілуін реттейді. Нематодтарда SmY ncРНК мРНК транссплицингіне қатысқандай көрінеді.

ДНҚ репликациясында

Y РНК – ДНК репликациясы үшін хроматин және инициациялық белоктармен (соның ішінде, шығу тегін тану кешені) өзара әрекеттесу арқылы қажетті сабақ-ілмек құрылымдары. Олар сонымен қатар жүйелік қызыл жегі ауруымен ауырған науқастарда аутоиммундық антиденелердің нысанасы болып табылатын Ro60 рибонуклеопротеин бөлшегінің құрамдас бөліктері болып табылады.

Гендік реттеуде

Көптеген мыңдаған гендердің экспрессиясы нкРНК-лармен реттеледі. Бұл реттелу транс немесе цис арқылы жүзеге асуы мүмкін. Көбейіп келе жатқан дәлелдер, геннің күшейткіш аймағынан транскрипцияланған, күшейткіш РНК деп аталатын нкРНК-лардың ерекше түрі ген экспрессиясын жақсартады дегенді көрсетеді.

Қис- әрекет

Бірқатар нкРНК белок кодтайтын гендердің 5' UTR (трансляцияланбаған аймақтары) - ға еніп, олардың экспрессиясына әр түрлі жолмен әсер етеді. Мысалы, рибосвиттер кішкентай мақсатты молекуламен тікелей байланыса алады; мақсатты молекуланың байланысуы геннің белсенділігіне әсер етеді. РНК-ның жетекші тізбектері аминқышқылдарының биосинтетикалық оперондарының бірінші генінен жоғары орналасқан. Бұл РНК элементтері оперонның соңғы өнімі – аминқышқылына бай, өте қысқа пептидтік тізбектерді кодтайтын аймақтарда екі мүмкін құрылымның біреуін қалыптастырады. Реттегіш аминқышқылының жеткілікті мөлшерде болғанда және лидерлік транскрипт бойынша рибосома қозғалысына кедергі келтірмегенде терминаторлық құрылым пайда болады. Реттегіш аминқышқылының зарядталған тРНК-сы жетіспегенде, лидерлік пептидті аударатын рибосома тоқтап, антитерминаторлық құрылым қалыптасады. Бұл РНК полимеразаға оперонды транскрипциялауға мүмкіндік береді. Белгілі РНК жетекшілері – гистидин оперонының жетекшісі, лейцин оперонының жетекшісі, треонин оперонының жетекшісі және триптофан оперонының жетекшісі. Темірге жауап беретін элементтер (IRE) темірге жауап беретін ақуыздарға (IRP) байланысады. IRE темір метаболизміне қатысатын әртүрлі мРНК-лардың UTR-ларында кездеседі. Темір концентрациясы төмен болғанда, IRP ферритин мРНК-ның IRE-мен байланысады, бұл трансляцияны тежеуге әкеледі. Ішкі рибосомалық кіру орындары (IRES) – бұл ақуыз синтезі процесінің бір бөлігі ретінде мРНК тізбегінің ортасында трансляция басталуын қамтамасыз ететін РНК құрылымдары.

Хромосомалық құрылым

Теломераза – эукариоттық хромосомалардың ұштарында орналасқан теломерлік аймақтарға белгілі ДНК тізбегінің қайталануын ("мырзалардың денесінде" TTAGGG) қосатын RNP ферменті. Теломерлер хромосомалардың тұрақтылығын қамтамасыз ететін конденсиленген ДНК материалынан тұрады. Бұл фермент – теломераза РНК-ны тасымалдайтын кері транскриптаза, ол әрбір репликация циклынан кейін қысқаратын теломерлерді ұзарту үшін қалып ретінде қолданылады. Xist (X инактивациясына тән транскрипт) – плаценталық сүтқоректілердің X хромосомасындағы ұзын ncRNA гені, ол Barr денелерін қалыптастыратын X хромосомасының инактивация процесінің негізгі эффекторы болып табылады. Антисенс РНК, Tsix, Xist-тің теріс регуляторы болып табылады. Tsix экспрессияланбайтын (демек, Xist транскрипциясының жоғары деңгейі бар) X хромосомалары қалыпты хромосомаларға қарағанда жиірек инактивацияланады. Дрозофилидтерде, сондай-ақ XY жыныстық анықтама жүйесін пайдаланатындарда, roX (X-тегі РНК) РНК дозалық компенсацияға қатысады. Xist және roX екеуі де гистонды модификациялайтын ферменттерді жұмылдыру арқылы транскрипцияның эпигенетикалық реттелуі арқылы әрекет етеді.

Екі функциялы РНК

Бифункционалды РНК немесе қос функциялы РНК – екі бөлек функциясы бар РНК. Белгілі бифункционалды РНК-ның көпшілігі ақуыз бен нкРНК-ны кодтайтын мРНК-лар болып табылады. Дегенмен, көбінесе нкРНК екі түрлі нкРНК санатына жатады; мысалы, H/ACA қорапшалы snoRNA және miRNA. Бифункционалды РНК-ның екі жақсы белгілі мысалы – SgrS РНК және RNAIII. Бірақ, тағы бірнеше бифункционалды РНК-лар бар екені белгілі (мысалы, стероид рецепторларын белсендіретін/SRA, VegT РНК, Oskar РНК, ENOD40, p53 РНК SR1 РНК және Spot 42 РНК). Бифункционалды РНК 2011 жылы «Биохимия» журналының арнайы санында талқыланды.

Гормон ретінде

Кейбір кодтамайтын РНК мен гормондық реттелетін жолдарды бақылау арасында маңызды байланыс бар. Дрозофилада экдизон және жас гормон сияқты гормондар белгілі бір миРНК-ның экспрессиясын күшейте алады. Бұдан әрі, бұл реттеу Caenorhabditis elegans дамуының нақты уақыттық кезеңдерінде жүзеге асады. Сүтқоректілерде miR-206 эстроген рецепторы альфаның маңызды регуляторы болып табылады. Кодталмаған РНК бірнеше эндокриндік органдардың дамуында, сондай-ақ қант диабеті сияқты эндокриндік ауруларда маңызды рөл атқарады. Атап айтқанда, MCF 7 жасушалық желісінде 17β-эстрадиол қосылуы эстрогенмен белсендірілген кодтаушы гендердің жанындағы lncRNA деп аталатын кодтамайтын РНК-ның жалпы транскрипциясын арттырды.

Патогендік алдын алуда

C. elegans бактериялық патогеннің бір ғана кодтамайтын РНК-сына ұшырағаннан кейін патогендік қауіптен сақтануды үйреніп, кейінгі ұрпаққа жеткізеді.

Аурудағы рөлі

Белгілер сияқты, организмдегі ұзын емес РНК (ncRNA) жиынтығындағы мутациялар немесе тепе-теңдік бұзылыстары түрлі ауруларға себеп болуы мүмкін.

Қатерлі ісік

Көптеген нкРНК-лар қатерлі тіндерде бұрыс экспрессия үлгілерін көрсетеді. GAS5, SNORD50, теломераза РНК және Y РНК-лары соның ішінде. miРНК-лар көптеген белок кодтаушы гендердің кең ауқымды реттелуіне қатысады, ал Y РНК-лары ДНҚ репликациясының басталуы үшін маңызды.

ХСА mir-196a-2 генамен қабаттасатын сирек SNP (rs11614913) шағын емес жасушалы өкпе карциномасымен байланысты екендігі анықталды. Сол сияқты, емшек қатерлі ісігімен байланысты бірқатар гендерді реттеуге қабілетті 17 miРНК-ның скринингі пациенттердің miРНК-лары miR-17 және miR-30c-1-де өзгерістерді көрсетті; бұл пациенттер BRCA1 немесе BRCA2 мутацияларын тасымалдамаған, бұл отбасылық емшек қатерлі ісігінің себебі осы miРНК-лардың вариациялары болуы мүмкін деген ойға жетеледі. P53 ісікке қарсы гени, ісік пайда болуын және дамуын болдырмаудағы ең маңызды фактор болып табылады. P53 ақуызы клеткалық стресс жауабын үйлестіруде маңызды рөл атқаратын транскрипция факторы ретінде жұмыс істейді. Қатерлі ісіктегі маңызды рөлінен басқа, p53 диабет, ишемиядан кейін клеткалық өлім және Хантингтон, Паркинсон және Альцгеймер сияқты әртүрлі нейродегенеративті аурулар сияқты басқа да ауруларға қатысты. Зерттеулер p53 экспрессиясы кодтамайтын РНК арқылы реттеледі екенін көрсетті. Бұл гепатоцеллюлярлық карциномада, асқазан қатерлі ісігінде немесе емшек қатерлі ісігінде байқалады, осылайша остеогенезді ынталандырады, гепатоцеллюлярлық карциноманың прогрессиясына әсер етеді, пролиферация мен метастаздарды күшейтеді немесе тиісінше қатерлі ісіктің агрессивтілігіне қатысқан ақуыздардың экспрессиясын жанама түрде реттейді.

Прадер- Вилли синдромы

С/Д қорабындағы 48 дана SNORD116 сноРНК-ның жойылуы Прадер-Вилли синдромының басты себебі екені дәлелденген. Прадер-Вилли синдромы – шектен тыс тамақтану және оқуда қиындықтармен байланысты даму бұзылысы. SNORD116 бірнеше белокты кодтайтын гендердегі әлеуетті мақсаттық орындарға ие және балама тігілуді реттеуде маңызды рөл атқара алады.

Аутизм

Кіші ядролық РНК SNORD115 гендер кластерін қамтитын хромосомалық локус аутизм белгілері бар адамдардың шамамен 5%-інде дупликацияланған. SNORD115 кластерінің дупликацияланған тышқан моделі аутизмге ұқсас мінез-құлық көрсетеді. Жақында өлтірілген ми тіндерін зерттеудің шағын тобы, бақылау тобымен салыстырғанда, аутизммен ауырған адамдардың префронтальды қабығы мен мишығындағы ұзын, кодтамайтын РНК-ның экспрессиясының өзгергенін көрсетті.

Қабықша-шаш гипоплазиясы

RNase MRP-дегі мутациялар шеміршек-шаш гипоплазиясын тудырады, бұл ауру кішкентай бой, сирек шаш, қаңқа аномалиялары және әлсіреген иммундық жүйе сияқты әртүрлі симптомдармен байланысты, және ол Амиш және финдер арасында жиі кездеседі. Ең жақсы сипатталған вариант – сақталған псевдотүйіннен 5' бағытта екі нуклеотид қашықтықта орналасқан 70-ші нуклеотидтегі А-дан G-ге өту. Дегенмен, RNase MRP-дегі көптеген басқа мутациялар да шеміршек-шаш гипоплазиясын (ХШГ) тудырады.

Альцгеймер ауруы

Антисенс РНК, BACE1 AS, BACE1-дің қарама-қарсы тізбегінен транскрипцияланады және Альцгеймер ауруымен ауырған науқастарда жоғарылайды. BACE1 AS, BACE1 мРНК-ның тұрақтылығын арттыру арқылы және транскрипциядан кейінгі оң кері байланыс механизмі арқылы қосымша BACE1 өндірісін қамтамасыз ете отырып, BACE1 экспрессиясын реттейді. Сол механизм арқылы ол бета-амилоидтың, ересектердегі плактардың негізгі құрауышының концентрациясын да арттырады. BACE1 AS концентрациясы Альцгеймер ауруымен ауырған адамдарда және амилоид прекурсорлы белокты трансгендік тышқандарда жоғарылайды.

miR-96 және есту қабілетінің төмендеуі

Ересек miR 96 тұқымдық аймағындағы айырмашылықтар адамдар мен тышқандарда аутосомалық доминантты, прогрессивті есту қабілетінің жоғалуымен байланысты. Гомозиготалық мутантты тышқандар толығымен саңырау болып, кохлеарлық реакциялар көрсетпеді. Гетерозиготалық тышқандар мен адамдар есту қабілетін біртіндеп жоғалтады.

Митохондриялық трансферлік РНК

Митохондриялық тРНК-дағы бірқатар мутациялар MELAS синдромы, MERRF синдромы және созылмалы прогрессивті сыртқы офтальмоплегия сияқты ауруларға байланысты екені анықталды.

Функционалдық РНК (fРНК) мен нКРНК арасындағы айырмашылық

Ғалымдар РНК деңгейінде функционалдық аймақтарды сипаттау үшін функционалдық РНК-ны (fРНК) беймәлім РНК-дан (ncРНК) ажырата бастады, бұл РНК транскрипттерінің дербес болуын немесе болмауын қамтиды. Бұл fРНК-ның (мысалы, рибосвиттер, SECIS элементтері және басқа цис-реттеуші аймақтар) ncРНК емес екенін білдіреді. Дегенмен, fРНК-ға мРНК-ны да қосуға болады, себебі ол ақуызды кодтайтын РНК, демек функционалды. Сонымен қатар, жасанды эволюцияға ұшыраған РНК-лар да fРНК терминіне жатады. Кейбір жарияланымдар "кодтамайтын" РНК-ны кодтайтын генді атағандағы қатысуды жояды. Сонымен қатар, жарияланған әдебиеттер мен деректерде қате жазылған ncРНК-лар болуы мүмкін.