Полиаденилирование мРНК: добавление адениловых кислот к 3'-концу.

Введение

Добавление адениловых кислот к 3'-концу зрелой мРНК

Полиаденолирование – это добавление поли(А)-хвоста к РНК-транскрипту, обычно к матричной РНК (мРНК). Поли(А)-хвост состоит из множества аденозинмонофосфатов; другими словами, это участок РНК, содержащий только адениновые основания. У эукариот полиаденолирование является частью процесса, приводящего к образованию зрелой мРНК для трансляции. У многих бактерий поли(А)-хвост способствует деградации мРНК. Таким образом, оно является частью более широкого процесса экспрессии генов. Процесс полиаденолирования начинается по завершении транскрипции гена. 3'-конечный сегмент новообразованной пре-мРНК сначала отщепляется комплексом белков, которые затем синтезируют поли(А)-хвост на 3'-конце РНК. В некоторых генах эти белки могут добавлять поли(А)-хвост в одном из нескольких возможных мест. Следовательно, полиаденолирование может приводить к образованию нескольких транскриптов из одного гена (альтернативное полиаденолирование), подобно альтернативному сплайсингу. Однако в некоторых типах клеток мРНК с короткими поли(А)-хвостами хранятся для последующей активации путем реполиаденолирования в цитозоле. Это также иногда наблюдается для некодирующих РНК у эукариот. Молекулы мРНК как у прокариот, так и у эукариот имеют полиаденолированные 3'-концы, при этом поли(А)-хвосты прокариот обычно короче и встречаются у меньшего числа молекул мРНК.

Основные сведения об РНК

РНК — это тип крупных биологических молекул, отдельные строительные блоки которых называются нуклеотидами. Название «поли(А)-хвост» (полиадениловый хвост) отражает способ сокращенной записи нуклеотидов РНК, где буква обозначает основание, входящее в состав нуклеотида (А — аденин, С — цитозин, Г — гуанин и U — урацил). РНК синтезируются (транскрибируются) на матрице ДНК. По соглашению, последовательности РНК записываются в направлении от 5′ к 3′. 5′-конец — это часть молекулы РНК, которая транскрибируется первой, а 3′-конец — последней. 3′-конец также является местом, где находится поли(А)-хвост у полиаденилированных РНК. РНК-мессенджер (мРНК) — это РНК, содержащая кодирующую область, служащую матрицей для синтеза белка (трансляции). Остальная часть мРНК, нетранслируемые области, регулируют активность мРНК. Существуют также многочисленные РНК, которые не транслируются, называемые некодирующими РНК. Подобно нетранслируемым областям, многие из этих некодирующих РНК выполняют регуляторные функции.

Функция

При ядерной полиаденоляции к РНК добавляется поли(А)-хвост в конце транскрипции. У мРНК поли(А)-хвост защищает молекулу мРНК от ферментативного распада в цитоплазме и способствует завершению транскрипции, экспорту мРНК из ядра и трансляции, за исключением мРНК гистонов, зависимых от репликации у животных. Это единственные мРНК у эукариот, которые не имеют поли(А)-хвоста, а заканчиваются структурой «шпилька-петля», за которой следует пурин-богатая последовательность, называемая нисходящим элементом гистона, которая определяет место разреза РНК для формирования 3'-конца мРНК гистона. Многие некодирующие РНК эукариот всегда полиаденилируются в конце транскрипции. Существуют малые РНК, у которых поли(А)-хвост наблюдается только в промежуточных формах, а не в зрелой РНК, поскольку концы удаляются в процессе обработки; наиболее известными из них являются микроРНК. Однако для многих длинных некодирующих РНК – обширной группы регуляторных РНК, включающей, например, РНК Xist, которая опосредует инактивацию Х-хромосомы – поли(А)-хвост является частью зрелой РНК.

Деденанил

В эукариотических соматических клетках поли(А)-хвосты большинства мРНК в цитоплазме постепенно укорачиваются, а мРНК с более короткими поли(А)-хвостами менее эффективно транслируются и быстрее деградируют. Однако деградация мРНК может занимать много часов. Этот процесс деаденилирования и деградации может быть ускорен микроРНК, комплементарными 3'-нетранслируемой области мРНК. В незрелых яйцеклетках мРНК с укороченными поли(А)-хвостами не деградируют, а вместо этого запасаются и находятся в трансляционно неактивном состоянии. Эти мРНК с короткими хвостами активируются цитоплазматической полиадениляцией после оплодотворения, во время активации яйцеклетки. У животных поли(А)-рибонуклеаза (ПАРН) может связываться с 5'-кэпом и удалять нуклеотиды из поли(А)-хвоста. Степень доступности 5'-кэпа и поли(А)-хвоста важна для контроля скорости деградации мРНК. ПАРН менее эффективно деаденилирует РНК, связанную с факторами инициации 4E (на 5'-кэпе) и 4G (на поли(А)-хвосте), поэтому трансляция снижает скорость деаденилирования. Скорость деаденилирования также может регулироваться РНК-связывающими белками. Кроме того, структуры тройной спирали РНК и РНК-мотивы, такие как карман связывания 3'-конца поли(А)-хвоста, замедляют процесс деаденилирования и ингибируют удаление поли(А)-хвоста. После удаления поли(А)-хвоста, комплекс декаппирования удаляет 5'-кэп, что приводит к деградации РНК. В деаденилировании в почкующихся дрожжах и клетках человека участвуют и другие белки, в частности комплекс CCR4-Not.

Цитоплазматическая полиаденолирование

Полиаденолирование происходит в цитозоле некоторых типов клеток животных, в частности, в зародышевой линии, на ранних стадиях эмбриогенеза и в постсинаптических участках нервных клеток. Этот процесс удлиняет поли(А)-хвост мРНК, имеющей укороченный поли(А)-хвост, обеспечивая её трансляцию. Такие укороченные поли(А)-хвосты часто содержат менее 20 нуклеотидов и удлиняются до примерно 80–150 нуклеотидов. У раннего эмбриона мыши цитоплазматическое полиаденолирование материнских РНК из яйцеклетки позволяет клетке выживать и расти, несмотря на то, что транскрипция начинается лишь к середине двухклеточной стадии (на четырехклеточной стадии у человека). В мозге цитоплазматическое полиаденолирование активно во время обучения и может играть роль в долговременной потенциации – усилении передачи сигнала от одной нервной клетки к другой в ответ на нервные импульсы, что важно для обучения и формирования памяти. Цитоплазматическое полиаденолирование требует участия РНК-связывающих белков CPSF и CPEB, а также может включать другие РНК-связывающие белки, такие как Pumilio. В зависимости от типа клетки полимеразой может быть тот же тип полиаденолиатполимеразы (PAP), который используется в ядерном процессе, или цитоплазматическая полимераза GLD 2.

Альтернативное полиаденолирование

Многие гены, кодирующие белки, имеют более одного участка полиаденилирования, поэтому один ген может кодировать несколько мРНК, различающихся по 3'-концу. 3'-область транскрипта содержит множество полиаденильных сигналов (PAS). Использование более проксимальных (ближе к 5'-концу) сайтов PAS приводит к укорочению 3'-нетранслируемой области (3' UTR) транскрипта. Исследования на людях и мухах показали тканеспецифичность альтернативного полиаденилирования (АПА). Нейронные ткани предпочитают использование дистальных PAS, что приводит к более длинным 3' UTR, а ткани яичек – проксимальных PAS, что приводит к более коротким 3' UTR. Исследования показали корреляцию между степенью консервации гена и его склонностью к альтернативному полиаденилированию: высококонсервативные гены демонстрируют больше АПА. То же самое наблюдается и для высокоэкспрессированных генов. Данные рибо-секвенирования (секвенирование только мРНК внутри рибосом) показали, что мРНК-изоформы с более короткими 3' UTR с большей вероятностью подвергаются трансляции. Это также может изменить доступные сайты связывания для микроРНК в 3'-UTR. МикроРНК обычно подавляют трансляцию и способствуют деградации мРНК, к которой они связываются, хотя существуют примеры микроРНК, стабилизирующих транскрипты. Альтернативное полиаденилирование также может укоротить кодирующую область, в результате чего мРНК будет кодировать другой белок, но это происходит гораздо реже, чем просто укорочение 3'-нетранслируемой области. Например, экспрессия CstF 64, субъединицы стимулирующего фактора расщепления (CstF), повышается в макрофагах в ответ на липополисахариды (группу бактериальных соединений, вызывающих иммунный ответ). Это приводит к выбору слабых поли(A)-сайтов и, следовательно, к образованию более коротких транскриптов. Это удаляет регуляторные элементы в 3'-нетранслируемых областях мРНК для продуктов, связанных с защитой, таких как лизоцим и TNF α. Эти мРНК затем имеют более длительный период полураспада и производят больше этих белков, как и в случае метилирования ДНК вблизи сигнала полиаденилирования. Кроме того, многочисленные другие компоненты, участвующие в транскрипции, сплайсинге или других механизмах, регулирующих биологию РНК, могут влиять на АПА.

Many protein coding genes have more than one polyadenylation site, so a gene can code for several mRNAs that differ in their 3′ end. The 3’ region of a transcript contains many polyadenylation signals (PAS). When more proximal (closer towards 5’ end) PAS sites are utilized, this shortens the length of the 3’ untranslated region (3' UTR) of a transcript. Studies in both humans and flies have shown tissue specific APA. With neuronal tissues preferring distal PAS usage, leading to longer 3’ UTRs and testis tissues preferring proximal PAS leading to shorter 3’ UTRs. Studies have shown there is a correlation between a gene's conservation level and its tendency to do alternative polyadenylation, with highly conserved genes exhibiting more APA. Similarly, highly expressed genes follow this same pattern. Ribo sequencing data (sequencing of only mRNAs inside ribosomes) has shown that mRNA isoforms with shorter 3’ UTRs are more likely to be translated. it can also change which binding sites are available for microRNAs in the 3′ UTR. MicroRNAs tend to repress translation and promote degradation of the mRNAs they bind to, although there are examples of microRNAs that stabilise transcripts. Alternative polyadenylation can also shorten the coding region, thus making the mRNA code for a different protein, but this is much less common than just shortening the 3′ untranslated region. For example, the expression of CstF 64, a subunit of cleavage stimulatory factor (CstF), increases in macrophages in response to lipopolysaccharides (a group of bacterial compounds that trigger an immune response). This results in the selection of weak poly(A) sites and thus shorter transcripts. This removes regulatory elements in the 3′ untranslated regions of mRNAs for defense related products like lysozyme and TNF α. These mRNAs then have longer half lives and produce more of these proteins. as can DNA methylation near the polyadenylation signal. In addition, numerous other components involved in transcription, splicing or other mechanisms regulating RNA biology can affect APA.

Маркировка для деградации у эукариот

Для многих некодирующих РНК, включая тРНК, рРНК, snРНК и snoРНК, полиаденилирование является способом маркировки РНК для деградации, по крайней мере, у дрожжей. Этот полиаденилирование осуществляется в ядре комплексом TRAMP, который поддерживает хвост длиной около 4 нуклеотидов на 3'-конце. Затем РНК деградирует экзосома. Поли(А)-хвосты также были обнаружены на фрагментах человеческой рРНК, как в форме гомополимерных (только А), так и гетерополимерных (в основном А) хвостов.

В прокариотах и органелях

Во многих бактериях как мРНК, так и некодирующие РНК могут быть полиаденилированы. Этот поли(А)-хвост способствует деградации деградосомой, которая содержит два фермента, разрушающих РНК: полинуклеотидфосфорилазу и RNase E. Полинуклеотидфосфорилаза связывается с 3'-концом РНК, а 3'-расширение, обеспечиваемое поли(А)-хвостом, позволяет ей связываться с РНК, вторичная структура которой в противном случае блокировала бы 3'-конец. Последующие раунды полиаденилирования и деградации 3'-конца полинуклеотидфосфорилазой позволяют деградосоме преодолевать эти вторичные структуры. Поли(А)-хвост также может рекрутировать РНКазы, которые разрезают РНК на две части. Эти бактериальные поли(А)-хвосты имеют длину около 30 нуклеотидов. У столь разных групп, как животные и трипаносомы, митохондрии содержат как стабилизирующие, так и дестабилизирующие поли(А)-хвосты. Дестабилизирующее полиаденилирование нацелено как на мРНК, так и на некодирующие РНК. Поли(А)-хвосты в среднем имеют длину 43 нуклеотида. Стабилизирующие начинаются с кодона остановки, и без них кодон остановки (UAA) не является полным, поскольку геном кодирует только часть U или UA. Митохондрии растений имеют только дестабилизирующее полиаденилирование. Полиаденилирование митохондрий никогда не наблюдалось ни у бутоновых, ни у делящихся дрожжей. Хотя многие бактерии и митохондрии имеют полиаденолатполимеразы, у них также есть другой тип полиаденилирования, осуществляемый самой полинуклеотидфосфорилазой. Этот фермент содержится в бактериях, митохондриях, пластидах и в составе археальной экзосомы (у тех археей, которые имеют экзосому). Он может синтезировать 3'-расширение, где подавляющее большинство оснований – аденин. Как и у бактерий, полиаденилирование полинуклеотидфосфорилазой способствует деградации РНК в пластидах и, вероятно, также у архей. Однако широкое распространение этой модификации и тот факт, что она присутствует у организмов из всех трех доменов жизни, предполагает, что последний универсальный общий предок всех живых организмов, как считается, обладал некоторой формой полиаденильной системы. Самым древним полиаденилирующим ферментом является полинуклеотидфосфорилаза. Этот фермент является частью как бактериальной деградосомы, так и археальной экзосомы, двух тесно связанных комплексов, которые перерабатывают РНК в нуклеотиды. Этот фермент разрушает РНК, атакуя связь между 3'-концевыми нуклеотидами с фосфатом, отщепляя дифосфатный нуклеотид. Эта реакция обратима, поэтому фермент может также удлинять РНК дополнительными нуклеотидами. Гетерополимерный хвост, добавленный полинуклеотидфосфорилазой, очень богат аденином. Выбор аденина, скорее всего, является результатом более высоких концентраций АДФ, чем других нуклеотидов, в результате использования АТФ в качестве энергетической валюты, что делает его более вероятным для включения в этот хвост на ранних этапах жизни. Предполагается, что участие хвостов, богатых аденином, в деградации РНК стимулировало более позднюю эволюцию полиаденолатполимераз (ферментов, которые производят поли(А)-хвосты, не содержащие других нуклеотидов). Полиаденолатполимеразы не столь древние. Они независимо эволюционировали как у бактерий, так и у эукариот из фермента, добавляющего CCA, который завершает 3'-концы тРНК. Его каталитический домен гомологичен домену других полимераз. Коронавирус, вирус люцерны и вирус гепатита уток. Некоторые вирусы, такие как ВИЧ-1 и полиовирус, ингибируют поли(А)-связывающий белок клетки (PABPC1), чтобы усилить экспрессию собственных генов по сравнению с клеткой-хозяином.

In many bacteria, both mRNAs and non coding RNAs can be polyadenylated. This poly(A) tail promotes degradation by the degradosome, which contains two RNA degrading enzymes: polynucleotide phosphorylase and RNase E. Polynucleotide phosphorylase binds to the 3′ end of RNAs and the 3′ extension provided by the poly(A) tail allows it to bind to the RNAs whose secondary structure would otherwise block the 3′ end. Successive rounds of polyadenylation and degradation of the 3′ end by polynucleotide phosphorylase allows the degradosome to overcome these secondary structures. The poly(A) tail can also recruit RNases that cut the RNA in two. These bacterial poly(A) tails are about 30 nucleotides long. In as different groups as animals and trypanosomes, the mitochondria contain both stabilising and destabilising poly(A) tails. Destabilising polyadenylation targets both mRNA and noncoding RNAs. The poly(A) tails are 43 nucleotides long on average. The stabilising ones start at the stop codon, and without them the stop codon (UAA) is not complete as the genome only encodes the U or UA part. Plant mitochondria have only destabilising polyadenylation. Mitochondrial polyadenylation has never been observed in either budding or fission yeast. While many bacteria and mitochondria have polyadenylate polymerases, they also have another type of polyadenylation, performed by polynucleotide phosphorylase itself. This enzyme is found in bacteria, mitochondria, plastids and as a constituent of the archaeal exosome (in those archaea that have an exosome). It can synthesise a 3′ extension where the vast majority of the bases are adenines. Like in bacteria, polyadenylation by polynucleotide phosphorylase promotes degradation of the RNA in plastids and likely also archaea. However, the wide distribution of this modification and the fact that it is present in organisms from all three domains of life implies that the last universal common ancestor of all living organisms, it is presumed, had some form of polyadenylation system. The most ancient polyadenylating enzyme is polynucleotide phosphorylase. This enzyme is part of both the bacterial degradosome and the archaeal exosome, two closely related complexes that recycle RNA into nucleotides. This enzyme degrades RNA by attacking the bond between the 3′ most nucleotides with a phosphate, breaking off a diphosphate nucleotide. This reaction is reversible, and so the enzyme can also extend RNA with more nucleotides. The heteropolymeric tail added by polynucleotide phosphorylase is very rich in adenine. The choice of adenine is most likely the result of higher ADP concentrations than other nucleotides as a result of using ATP as an energy currency, making it more likely to be incorporated in this tail in early lifeforms. It has been suggested that the involvement of adenine rich tails in RNA degradation prompted the later evolution of polyadenylate polymerases (the enzymes that produce poly(A) tails with no other nucleotides in them). Polyadenylate polymerases are not as ancient. They have separately evolved in both bacteria and eukaryotes from CCA adding enzyme, which is the enzyme that completes the 3′ ends of tRNAs. Its catalytic domain is homologous to that of other polymerases. Coronavirus, Alfalfa mosaic virus, and Duck Hepatitis A. Some viruses, such as HIV 1 and Poliovirus, inhibit the cell's poly A binding protein (PABPC1) in order to emphasize their own genes' expression over the host cell's.

История

Поли(А)-полимераза была впервые идентифицирована в 1960 году как ферментативная активность в экстрактах из клеточных ядер, способная полимеризовать АТФ, но не АДФ, в полиаденин. Хотя эта активность была обнаружена во многих типах клеток, её функция оставалась неизвестной до 1971 года, когда поли(А)-последовательности были найдены в мРНК. Первоначально считалось, что единственная функция этих последовательностей – защита 3'-конца РНК от нуклеаз, но впоследствии были установлены специфические роли полиаденилирования в ядерном экспорте и трансляции. Полимеразы, ответственные за полиаденилирование, были впервые очищены и охарактеризованы в 1960-х и 1970-х годах, однако большое количество дополнительных белков, контролирующих этот процесс, было обнаружено лишь в начале 1990-х годов.