Введение
В молекулярной биологии рибопереключатель – это регуляторный сегмент молекулы РНК-мессенджера, который связывает небольшую молекулу, что приводит к изменению продукции белков, кодируемых мРНК. Таким образом, мРНК, содержащая рибопереключатель, непосредственно участвует в регуляции собственной активности в ответ на концентрацию своей эффекторной молекулы. Открытие того, что современные организмы используют РНК для связывания небольших молекул и различения близких аналогов, расширило известные естественные возможности РНК за пределы её способности кодировать белки, катализировать реакции или связывать другие РНК или белковые макромолекулы. Первоначальное определение термина "рибопереключатель" указывало, что они непосредственно определяют концентрацию малых молекул-метаболитов, но это не было экспериментально подтверждено.
История и открытие
До открытия рибосвитчей механизм, посредством которого регулировались некоторые гены, участвующие в нескольких метаболических путях, оставался неясным. Накопление данных все больше подтверждало тогдашнюю беспрецедентную идею о том, что вовлеченные мРНК могли напрямую связывать метаболиты, влияя тем самым на собственную регуляцию. Эти данные включали консервативные вторичные структуры РНК, часто встречающиеся в нетранслируемых областях (УТР) соответствующих генов, и успешную разработку искусственных РНК, связывающих малые молекулы, называемых аптамерами. В 2002 году были опубликованы первые исчерпывающие доказательства существования нескольких классов рибосвитчей, включая анализы связывания без участия белков, и рибосвитки, связывающие метаболиты, были установлены как новый механизм регуляции генов. Многие из первых обнаруженных рибосвитчей соответствовали консервативным последовательностям "мотивов" (паттернов) в 5'-УТР, которые, по-видимому, представляли собой структурированную РНК. Например, сравнительный анализ регуляторных областей нескольких генов, предположительно подвергающихся совместной регуляции, привел к описанию S-бокса (теперь рибосвитч SAM I), THI-бокса (область в составе рибосвитча TPP), RFN-элемента (теперь рибосвитч FMN) и B12-бокса (часть рибосвитча кобаламина), а в некоторых случаях были получены экспериментальные подтверждения их участия в регуляции генов посредством неизвестного механизма. Биоинформатика сыграла роль в более поздних открытиях, благодаря автоматизации базовой стратегии сравнительной геномики. Баррик и соавторы (2004) использовали BLAST для поиска УТР, гомологичных всем УТР в Bacillus subtilis. Некоторые из этих гомологичных наборов были проверены на наличие консервативных структур, в результате чего было выявлено 10 мотивов, подобных РНК. Три из них впоследствии были экспериментально подтверждены как рибосвитки glmS, глицина и PreQ1 I (см. ниже). Последующие исследования сравнительной геномики с использованием дополнительных таксонов бактерий и усовершенствованных компьютерных алгоритмов позволили идентифицировать новые рибосвитки, экспериментально подтвержденные, а также консервативные структуры РНК, которые, предположительно, функционируют как рибосвитки.
Вычислительные модели
Рибосвичи также изучались с использованием подходов in silico. В частности, решения для предсказания рибосвичей можно разделить на две широкие категории:
поисковики генов рибосвичей, то есть системы, предназначенные для выявления рибосвичей путем геномного сканирования, в основном основанные на механизмах поиска мотивов. В эту группу входят Infernal, основополагающий компонент базы данных Rfam, и более специализированные инструменты, такие как RibEx или RiboSW. предсказатели конформационных переключений, то есть методы, основанные на структурной классификации альтернативных структур, такие как paRNAss, RNAshapes и RNAbor. Кроме того, были предложены подходы, специфичные для отдельных семейств, для предсказания структуры "включено/выключено". Инструмент SwiSpot в некоторой степени объединяет обе группы, поскольку он использует предсказания конформации для оценки наличия рибосвичей.
riboswitch gene finders, i. e. systems aimed at uncovering riboswitches by genomic inspections, mostly based on motif searching mechanisms. This group contains Infernal, the founding component of the Rfam database, and more specific tools such as RibEx or RiboSW. conformational switch predictors, i. e. methods based on a structural classification of alternative structures, such as paRNAss, RNAshapes and RNAbor. Moreover, family specific approaches for ON/OFF structure prediction have been proposed as well. The SwiSpot tool somehow covers both the groups, as it uses conformational predictions to assess the presence of riboswitches.
Гипотеза о мире РНК
Рибосвичи демонстрируют, что природная РНК способна специфически связывать небольшие молекулы, что ранее считалось прерогативой белков или искусственно созданных РНК, называемых аптамерами. Таким образом, существование рибосвичей во всех доменах жизни подтверждает гипотезу мира РНК, согласно которой жизнь изначально существовала, используя только РНК, а белки появились позднее. Эта гипотеза предполагает, что все важнейшие функции, выполняемые белками (включая связывание малых молекул), могли быть реализованы РНК. Предполагается, что некоторые рибосвичи могут представлять собой древние регуляторные системы или даже остатки рибозимов РНК, сохранившие свои связывающие домены.
В качестве мишени для антибиотиков
Рибосвичи могут стать мишенью для разработки новых антибиотиков. Действительно, установлено, что некоторые антибиотики, механизм действия которых оставался неизвестным на протяжении десятилетий, действуют, воздействуя на рибосвичи. Например, при попадании в клетку антибиотик пиритиамин метаболизируется в пиритиамин пирофосфат. Показано, что пиритиамин пирофосфат связывается с TPP-рибосвичем и активирует его, что приводит к прекращению синтеза и импорта TPP клеткой. Поскольку пиритиамин пирофосфат не может выполнять функцию TPP в качестве кофермента, клетка погибает.