Введение

Область мессенджерной РНК

5'-нетранслируемая область (также известная как 5′ UTR, лидерная последовательность, лидер транскрипта или лидерная РНК) — это область мессенджерной РНК (мРНК), расположенная непосредственно выше кодона инициации. Эта область важна для регуляции трансляции транскрипта посредством различных механизмов у вирусов, прокариот и эукариот. Несмотря на название «нетранслируемая», часть 5'-UTR иногда транслируется в белковый продукт. Этот продукт может регулировать трансляцию основной кодирующей последовательности мРНК. Однако во многих организмах 5'-UTR полностью не транслируется, а вместо этого формирует сложную вторичную структуру для регуляции трансляции. Было обнаружено, что 5'-UTR взаимодействует с белками, связанными с метаболизмом, и внутри самой 5'-UTR. Кроме того, эта область участвует в регуляции транскрипции, например, в гене половой летальности у дрозофилы.

Длина

5′ UTR начинается в точке начала транскрипции и заканчивается одним нуклеотидом (nt) перед инициирующей последовательностью (обычно AUG) кодирующей области. У прокариот длина 5′ UTR обычно составляет 3–10 нуклеотидов, в то время как у эукариот – от 100 до нескольких тысяч нуклеотидов. Например, транскрипт ste11 у Schizosaccharomyces pombe имеет 5′ UTR длиной 2273 нуклеотида, а оперон lac у Escherichia coli – всего семь нуклеотидов в 5′ UTR. Различные размеры, вероятно, обусловлены сложностью эукариотической регуляции, которую обеспечивает 5′ UTR, а также большим преинициационным комплексом, необходимом для начала трансляции. 5′ UTR также может полностью отсутствовать, как в случае мРНК без лидера. Рибосомы всех трех доменов жизни способны принимать и транслировать такие мРНК. Такие последовательности встречаются естественным образом во всех трех доменах жизни. У человека существует множество генов, связанных со стрессом, с лидером длиной 2–3 нуклеотида. У млекопитающих также существуют другие типы ультракоротких лидеров, такие как последовательность TISU.

Элементы

Элементы 5'-УТР у эукариотов и прокариотов значительно различаются. Прокариотический 5'-УТР содержит сайт связывания рибосомы (RBS), также известный как последовательность Шайна-Дальгарно (AGGAGGU), который обычно расположен на расстоянии 3–10 пар оснований выше по току от кодона инициации.

Вторичная структура

Поскольку 5'-UTR имеет высокое содержание GC, в нем часто образуются вторичные структуры. Шпильки — одна из таких вторичных структур, которая может находиться в 5'-UTR. Эти вторичные структуры также влияют на регуляцию трансляции.

Прокариоты

В бактериях инициирование трансляции происходит, когда IF3, вместе с 30S-рибосомной субъединицей, связывается с последовательностью Шайна-Дальгарно (SD) в 5'-UTR. Некоторые мРНК не имеют лидирующей последовательности. В обеих областях гены, не содержащие последовательностей Шайна-Дальгарно, также транслируются менее изученным способом. Важным условием, по-видимому, является отсутствие вторичной структуры вблизи инициаторного кодона.

Регулирование комплекса доинициации

Регулирование трансляции у эукариотов сложнее, чем у прокариотов. Изначально комплекс eIF4F рекрутируется к 5'-кэпу, который, в свою очередь, рекрутирует рибосомный комплекс к 5'-UTR. И eIF4E, и eIF4G связываются с 5'-UTR, что ограничивает скорость инициации трансляции. Однако это не единственный регуляторный этап трансляции, затрагивающий 5'-UTR. РНК-связывающие белки иногда препятствуют формированию преинициационного комплекса. Примером является регуляция гена *msl2*. Белок SXL присоединяется к интронному сегменту, расположенному в 5'-UTR первичного транскрипта, что приводит к включению интрона после процессинга. Эта последовательность обеспечивает рекрутирование белков, которые одновременно связываются с 5'- и 3'-UTR, блокируя сборку трансляционного аппарата. Однако также было установлено, что SXL может подавлять трансляцию РНК, не содержащих поли(А)-хвост, или, в более общем смысле, 3'-UTR.

Регулирование замкнутого цикла

Другим важным регулятором трансляции является взаимодействие между 3′-УТР и 5′-УТР. Структура замкнутой петли ингибирует трансляцию. Это было обнаружено у Xenopus laevis, где eIF4E, связанный с 5′-кэпом, взаимодействует с Maskin, связанным с CPEB в 3′-УТР, формируя трансляционно неактивные мРНК. Это трансляционное ингибирование снимается при фосфорилировании CPEB, что приводит к высвобождению сайта связывания Maskin и позволяет полимеризоваться PolyA-хвосту, который, в свою очередь, может рекрутировать трансляционный аппарат посредством PABP. Однако важно отметить, что этот механизм подвергался интенсивной критической оценке.

Регулирование ферритина

Уровень железа в клетках поддерживается регуляцией трансляции многих белков, участвующих в хранении и метаболизме железа. 5′-нетранслируемая область (UTR) способна формировать вторичную структуру в виде шпильки (известную как элемент чувствительности к железу или IRE), которая распознается железорегулирующими белками (IRP1 и IRP2). При низком содержании железа открытая рамка считывания (ORF) целевой мРНК блокируется из-за стерических препятствий, возникающих при связывании IRP1 и IRP2 с IRE. При высоком содержании железа эти два железорегулирующих белка связываются менее прочно, что позволяет экспрессировать белки, участвующие в контроле концентрации железа. Этот механизм привлек внимание после того, как было установлено, что трансляция белка-предшественника амилоида может нарушаться из-за однонуклеотидного полиморфизма в IRE, расположенном в 5′-UTR его мРНК, что приводит к спонтанному повышению риска развития болезни Альцгеймера.

УВРФ и возобновление

Другая форма трансляционной регуляции у эукариот исходит от уникальных элементов в 5'-UTR, называемых открытыми рамками считывания выше по течению (uORF). Эти элементы довольно распространены и встречаются в 35–49% всех человеческих генов. uORF – это кодирующая последовательность, расположенная в 5'-UTR выше по течению от сайта инициации кодирующей последовательности. Эти uORF содержат собственный инициаторный кодон, известный как восходящий AUG (uAUG). Этот кодон может сканироваться рибосомами и затем транслироваться для создания продукта, который может регулировать трансляцию основной кодирующей белок последовательности или других uORF, которые могут присутствовать на той же матрице РНК. Трансляция белка в пределах основного ORF после трансляции последовательности uORF известна как реинициация. Известно, что процесс реинициации снижает трансляцию белка ORF. Контроль регуляции белка определяется расстоянием между uORF и первым кодоном в основном ORF. IRES позволяет вирусной матрице РНК транслироваться более эффективно благодаря отсутствию необходимости в преинициационном комплексе, что позволяет вирусу быстро реплицироваться. В частности, эти полиурациловые участки расположены вблизи небольшого интрона, который сплайсируется у самцов, но сохраняется у самок посредством ингибирования сплайсинга. Это ингибирование сплайсинга поддерживается Sxl. Присутствуя, Sxl подавляет трансляцию msl2, увеличивая трансляцию стартового кодона, расположенного в uORF в 5'-UTR (см. выше для получения дополнительной информации о uORF). Кроме того, Sxl конкурирует с TIA 1 за поли(U)-область и предотвращает рекрутирование snRNP (этап альтернативного сплайсинга) к 5'-сайту сплайсинга.