Рибосомная РНК: Основа синтеза белка в живых организмах

Введение

РНК-компонент рибосомы, необходимый для синтеза белка во всех живых организмах.

Рибосомальная рибонуклеиновая кислота (рРНК) – это тип некодирующей РНК, являющийся основным компонентом рибосом, необходимых для функционирования всех клеток. рРНК представляет собой рибозим, осуществляющий синтез белка в рибосомах. Рибосомальная РНК транскрибируется из рибосомальной ДНК (рДНК), а затем связывается с рибосомальными белками, формируя малые и большие субъединицы рибосомы. рРНК является физическим и механическим фактором рибосомы, обеспечивающим взаимодействие транспортной РНК (тРНК) и матричной РНК (мРНК) для обработки и трансляции последней в белки. Рибосомальная РНК – преобладающая форма РНК в большинстве клеток, составляющая около 80% от общего количества клеточной РНК, несмотря на то, что сама никогда не транслируется в белки. Рибосомы состоят примерно из 60% рРНК и 40% рибосомных белков, хотя это соотношение различается у прокариот и эукариот.

Структура

Хотя первичная структура последовательностей рРНК может варьироваться у разных организмов, спаривание оснований в этих последовательностях обычно формирует конфигурации стебель-петля. Длина и положение этих стеблевых петель рРНК позволяют им создавать трехмерные структуры рРНК, которые схожи между видами. Благодаря этим конфигурациям рРНК может формировать тесные и специфические взаимодействия с рибосомными белками для образования рибосомных субъединиц. Эти рибосомные белки содержат основные аминокислотные остатки (в отличие от кислых) и ароматические остатки (т.е. фенилаланин, тирозин и триптофан), что позволяет им формировать химические взаимодействия со связанными областями РНК, такие как π-π стэкинг. Рибосомные белки также могут образовывать перекрестные связи с сахарно-фосфатным остовом рРНК, используя связывающие участки, состоящие из основных аминокислотных остатков (т.е. лизина и аргинина). Все рибосомные белки (включая специфические последовательности, связывающиеся с рРНК) были идентифицированы. Эти взаимодействия, наряду с ассоциацией малых и больших рибосомных субъединиц, приводят к образованию функционирующей рибосомы, способной синтезировать белки. Рибосомная РНК организована в два основных типа рибосомных субъединиц: большую субъединицу (LSU) и малую субъединицу (SSU). По одной субъединице каждого типа объединяются, образуя функционирующую рибосому. Субъединицы иногда обозначаются значениями их коэффициента седиментации (число с суффиксом "S"). У прокариот LSU и SSU называются субъединицами 50S и 30S соответственно. У эукариот они немного больше: LSU и SSU эукариот обозначаются как субъединицы 60S и 40S соответственно. В рибосомах прокариот, таких как бактерии, SSU содержит одну небольшую молекулу рРНК (~1500 нуклеотидов), в то время как LSU содержит одну небольшую рРНК и одну большую молекулу рРНК (~3000 нуклеотидов). Они объединяются примерно с 50 рибосомными белками, образуя рибосомные субъединицы. В прокариотических рибосомах встречаются три типа рРНК: 23S и 5S рРНК в LSU и 16S рРНК в SSU. В рибосомах эукариот, таких как люди, SSU содержит одну небольшую рРНК (~1800 нуклеотидов), в то время как LSU содержит две небольшие рРНК и одну большую молекулу рРНК (~5000 нуклеотидов). Эукариотическая рРНК содержит более 70 рибосомных белков, которые взаимодействуют, образуя более крупные и полиморфные рибосомные единицы по сравнению с прокариотами. В эукариотах существует четыре типа рРНК: три вида в LSU и один в SSU. Дрожжи традиционно использовались в качестве модельного организма для изучения поведения и процессов эукариотической рРНК, что привело к недостатку разнообразия в исследованиях. Лишь за последнее десятилетие технические достижения (особенно в области криоэлектронной микроскопии) позволили провести предварительные исследования поведения рибосом у других эукариот. У дрожжей LSU содержит 5S, 5.8S и 28S рРНК. Комбинированные 5.8S и 28S рРНК примерно эквивалентны по размеру и функции прокариотической 23S рРНК, за исключением расширяющихся сегментов (ES), которые локализованы на поверхности рибосомы и, как считалось ранее, встречаются только у эукариот. Однако недавно было показано, что клады Асгарда, а именно Lokiarchaeota и Heimdallarchaeota, считающиеся ближайшими археальными родственниками эукариот, обладают двумя сверхразмерными ES в своих 23S рРНК. Аналогично, 5S рРНК содержит 108-нуклеотидную вставку в рибосомах галофильного археона Halococcus morrhuae. Эукариотическая SSU содержит субъединицу 18S рРНК, которая также содержит ES. ES SSU обычно меньше, чем ES LSU. Последовательности рРНК SSU и LSU широко используются для изучения эволюционных взаимосвязей между организмами, поскольку они имеют древнее происхождение, встречаются во всех известных формах жизни и устойчивы к горизонтальному переносу генов. Последовательности рРНК консервативны (неизменны) с течением времени благодаря их решающей роли в функции рибосомы. Филогенетическая информация, полученная из 16S рРНК, в настоящее время используется в качестве основного метода разграничения близкородственных прокариотических видов путем расчета нуклеотидного сходства. Каноническое дерево жизни отражает эволюцию системы трансляции. Подтипы LSU рРНК называются рибозимами, поскольку рибосомные белки не могут связываться с каталитическим центром рибосомы в этой области (в частности, с центром пептидилтрансферазы, или PTC). Подтипы SSU рРНК декодируют мРНК в своем центре декодирования (DC). Рибосомные белки не могут проникать в DC. Структура рРНК способна значительно изменяться, влияя на связывание тРНК с рибосомой во время трансляции других мРНК. В 16S рРНК это, предположительно, происходит, когда определенные нуклеотиды в рРНК, по-видимому, чередуют спаривание оснований с одним или другим нуклеотидом, формируя "переключатель", который изменяет конформацию рРНК. Этот процесс может влиять на структуру LSU и SSU, что позволяет предположить, что этот конформационный переключатель в структуре рРНК влияет на всю рибосому в ее способности сопоставлять кодон с антикодоном при выборе тРНК, а также декодировать мРНК.

Although the primary structure of rRNA sequences can vary across organisms, base pairing within these sequences commonly forms stem loop configurations. The length and position of these rRNA stem loops allow them to create three dimensional rRNA structures that are similar across species. Because of these configurations, rRNA can form tight and specific interactions with ribosomal proteins to form ribosomal subunits. These ribosomal proteins contain basic residues (as opposed to acidic residues) and aromatic residues (i. e. phenylalanine, tyrosine and tryptophan) allowing them to form chemical interactions with their associated RNA regions, such as stacking interactions. Ribosomal proteins can also cross link to the sugar phosphate backbone of rRNA with binding sites that consist of basic residues (i. e. lysine and arginine). All ribosomal proteins (including the specific sequences that bind to rRNA) have been identified. These interactions along with the association of the small and large ribosomal subunits result in a functioning ribosome capable of synthesizing proteins. Ribosomal RNA organizes into two types of major ribosomal subunit: the large subunit (LSU) and the small subunit (SSU). One of each type come together to form a functioning ribosome. The subunits are at times referred to by their size sedimentation measurements (a number with an "S" suffix). In prokaryotes, the LSU and SSU are called the 50S and 30S subunits, respectively. In eukaryotes, they are a little larger; the LSU and SSU of eukaryotes are termed the 60S and 40S subunits, respectively. In the ribosomes of prokaryotes such as bacteria, the SSU contains a single small rRNA molecule (~1500 nucleotides) while the LSU contains one single small rRNA and a single large rRNA molecule (~3000 nucleotides). These are combined with ~50 ribosomal proteins to form ribosomal subunits. There are three types of rRNA found in prokaryotic ribosomes: 23S and 5S rRNA in the LSU and 16S rRNA in the SSU. In the ribosomes of eukaryotes such as humans, the SSU contains a single small rRNA (~1800 nucleotides) while the LSU contains two small rRNAs and one molecule of large rRNA (~5000 nucleotides). Eukaryotic rRNA has over 70 ribosomal proteins which interact to form larger and more polymorphic ribosomal units in comparison to prokaryotes. There are four types of rRNA in eukaryotes: 3 species in the LSU and 1 in the SSU. Yeast has been the traditional model for observation of eukaryotic rRNA behavior and processes, leading to a deficit in diversification of research. It has only been within the last decade that technical advances (specifically in the field of Cryo EM) have allowed for preliminary investigation into ribosomal behavior in other eukaryotes. In yeast, the LSU contains the 5S, 5.8S and 28S rRNAs. The combined 5.8S and 28S are roughly equivalent in size and function to the prokaryotic 23S rRNA subtype, minus expansion segments (ESs) that are localized to the surface of the ribosome which were thought to occur only in eukaryotes. However recently, the Asgard phyla, namely, Lokiarchaeota and Heimdallarchaeota, considered the closest archaeal relatives to Eukarya, were reported to possess two supersized ESs in their 23S rRNAs. Likewise, the 5S rRNA contains a 108‐nucleotide insertion in the ribosomes of the halophilic archaeon Halococcus morrhuae. A eukaryotic SSU contains the 18S rRNA subunit, which also contains ESs. SSU ESs are generally smaller than LSU ESs. SSU and LSU rRNA sequences are widely used for study of evolutionary relationships among organisms, since they are of ancient origin, are found in all known forms of life and are resistant to horizontal gene transfer. rRNA sequences are conserved (unchanged) over time due to their crucial role in the function of the ribosome. Phylogenic information derived from the 16s rRNA is currently used as the main method of delineation between similar prokaryotic species by calculating nucleotide similarity. The canonical tree of life is the lineage of the translation system. LSU rRNA subtypes have been called ribozymes because ribosomal proteins cannot bind to the catalytic site of the ribosome in this area (specifically the peptidyl transferase center, or PTC). The SSU rRNA subtypes decode mRNA in its decoding center (DC). Ribosomal proteins cannot enter the DC. The structure of rRNA is able to drastically change to affect tRNA binding to the ribosome during translation of other mRNAs. In 16S rRNA, this is thought to occur when certain nucleotides in the rRNA appear to alternate base pairing between one nucleotide or another, forming a "switch" that alters the rRNA's conformation. This process is able to affect the structure of the LSU and SSU, suggesting that this conformational switch in the rRNA structure affects the entire ribosome in its ability to match a codon with its anticodon in tRNA selection as well as decode mRNA.

Сборка

Интеграция и сборка рибосомной РНК в рибосомы начинается с ее сворачивания, модификации, процессинга и сборки с рибосомными белками для формирования двух рибосомных субъединиц – LSU и SSU. У прокариот инкорпорация рРНК происходит в цитоплазме из-за отсутствия мембранно-связанных органелл. Однако у эукариот этот процесс преимущественно протекает в ядрышке и инициируется синтезом пре-рРНК. Для этого требуется присутствие всех трех РНК-полимераз. Фактически, транскрипция пре-рРНК РНК-полимеразой I составляет около 60% от общей транскрипции РНК в клетке. Далее происходит сворачивание пре-рРНК, необходимое для ее сборки с рибосомными белками. Это сворачивание катализируется эндо- и экзонуклеазами, РНК-геликазами, ГТФазами и АТФазами. После этого рРНК подвергается эндо- и экзонуклеотическому процессингу для удаления внешних и внутренних транскрибированных спейсеров. Затем пре-рРНК подвергается модификациям, таким как метилирование или псевдоуридинилирование, прежде чем факторы сборки рибосом и рибосомные белки собираются с пре-рРНК, формируя пре-рибосомальные частицы. После прохождения дополнительных стадий созревания и последующего выхода из ядрышка в цитоплазму, эти частицы объединяются, образуя рибосомы.

Подединицы и связанная с ними рибосомальная РНК

Как прокариотические, так и эукариотические рибосомы могут быть разделены на две субъединицы – большую и малую. В таблице ниже в качестве модельных видов для соответствующих рРНК используются бактерия Escherichia coli (прокариот) и человек (эукариот). Следует отметить, что "nt" обозначает длину типа рРНК в нуклеотидах, а "S" (например, в "16S") – единицы Сведберга. Тип Размер Большая субъединица (LSU рРНК) Малая субъединица (SSU рРНК) Прокариотическая 70S 50S (5S: 120 нт, 23S: 2906 нт) 30S (16S: 1542 нт) Эукариотическая (ядерная) 80S 60S (5S: 121 нт, 5.8S: 156 нт, 28S: 5070 нт) 40S (18S: 1869 нт) Эукариотическая (митохондриальная) 55S 39S 16S (митохондриально кодированная 16S рРНК: около 1571 нт) 28S 12S (митохондриально кодированная 12S рРНК: около 955 нт) Единицы S субъединиц (или рРНК) нельзя просто складывать, поскольку они представляют собой показатели скорости седиментации, а не массы. На скорость седиментации каждой субъединицы влияет как ее форма, так и масса. Единицы nt можно складывать, так как они представляют собой целое число единиц в линейных полимерах рРНК (например, общая длина человеческой рРНК составляет 7216 нт). Гены, кодирующие рРНК, обычно называют "рибосомальной ДНК" или рДНК (стоит отметить, что этот термин может ввести в заблуждение, подразумевая, что рибосомы содержат ДНК, что не соответствует действительности).

У прокариотов

В прокариотах небольшая 30S рибосомная субъединица содержит 16S рибосомную РНК. Большая 50S рибосомная субъединица содержит два вида рРНК (5S и 23S рибосомные РНК). Таким образом, можно заключить, что как у бактерий, так и у архей имеется один ген рРНК, кодирующий все три типа рРНК: 16S, 23S и 5S. Бактериальные гены 16S рибосомной РНК, 23S рибосомной РНК и 5S рРНК обычно организованы в ко-транскрибируемый оперон. Как показано на рисунке в этом разделе, между генами 16S и 23S рРНК находится внутренний транскрибированный спейсер. В геноме может быть одна или несколько копий оперона (например, у Escherichia coli их семь). Обычно у бактерий их от одной до пятнадцати копий. Ранее считалось, что повторяющиеся последовательности рДНК идентичны и служат резервными копиями или системой защиты от сбоев, компенсируя естественные ошибки репликации и точечные мутации. Однако вариации последовательности в рДНК (и, следовательно, в рРНК) у людей на разных хромосомах наблюдались как внутри одного человека, так и между разными людьми. Многие из этих вариаций представляют собой палиндромные последовательности и потенциальные ошибки репликации. Некоторые варианты также экспрессируются специфично для тканей у мышей. Клетки млекопитающих содержат 2 митохондриальные (12S и 16S) молекулы рРНК и 4 типа цитоплазматической рРНК (субъединицы 28S, 5.8S, 18S и 5S). 28S, 5.8S и 18S рРНК кодируются единой транскрипционной единицей (45S), разделенной двумя внутренними транскрибируемыми спейсерами. Первый спейсер соответствует спейсеру, обнаруженному у бактерий и архей, а другой спейсер является вставкой в то, что было 23S рРНК у прокариот. Третичная структура малой субъединицы рибосомной РНК (SSU рРНК) была определена с помощью рентгеновской кристаллографии. Вторичная структура SSU рРНК содержит 4 различных домена: 5', центральный, 3' основной и 3' дополнительный домены. Представлена модель вторичной структуры для 5'-домена (500–800 нуклеотидов).

У эукариот

Как строительные блоки для органелл, продукция рРНК в конечном счете является лимитирующим фактором скорости в синтезе рибосомы. В нуклеоле рРНК синтезируется РНК-полимеразой I с использованием специализированных генов (рДНК), кодирующих ее, которые многократно встречаются по всему геному. Гены, кодирующие 18S, 28S и 5.8S рРНК, расположены в области-организаторе нуклеолуса и транскрибируются в крупные молекулы предшественников рРНК (пре-рРНК) РНК-полимеразой I. Эти молекулы пре-рРНК разделены внешними и внутренними спейсерными последовательностями, а затем метилируются, что необходимо для последующей сборки и сворачивания. После разделения и высвобождения в виде отдельных молекул, белки сборки связываются с каждой цепью рРНК и сворачивают ее в функциональную форму, используя кооперативную сборку и прогрессивное добавление дополнительных белков, участвующих в сворачивании, по мере необходимости. Точные детали того, как белки сворачивания связываются с рРНК и как достигается правильное сворачивание, остаются неизвестными. Затем комплексы рРНК подвергаются дальнейшей обработке реакциями, включающими экзо- и эндонуклеолитические расщепления, направляемые сноРНК (малыми нуклеолярными РНК) в комплексе с белками. По мере того как эти комплексы уплотняются, образуя единую структуру, взаимодействия между рРНК и окружающими рибосомальными белками постоянно реорганизуются в процессе сборки для обеспечения стабильности и защиты участков связывания. Этот процесс называется фазой "созревания" жизненного цикла рРНК. Было обнаружено, что модификации, происходящие во время созревания рРНК, напрямую способствуют контролю экспрессии генов, обеспечивая физическую регуляцию трансляционного доступа тРНК и мРНК. Некоторые исследования показали, что в течение этого времени также необходима обширная метилирование различных типов рРНК для поддержания стабильности рибосомы. Гены для 5S рРНК расположены внутри нуклеола и транскрибируются в пре-5S рРНК РНК-полимеразой III. Пре-5S рРНК поступает в нуклеолу для обработки и сборки с 28S и 5.8S рРНК с образованием ЛСУ. 18S рРНК формирует МСУ, соединяясь с многочисленными рибосомальными белками. После сборки обеих субъединиц они индивидуально экспортируются в цитоплазму для формирования 80S-рибосомы и начала инициации трансляции мРНК. Рибосомная РНК не кодирует и никогда не транслируется в белки какого-либо рода: рРНК транскрибируется только из рДНК, а затем созревает для использования в качестве структурного строительного блока для рибосом. Транскрибированная рРНК связывается с рибосомальными белками, образуя субъединицы рибосом, и выступает в качестве физической структуры, которая продвигает мРНК и тРНК через рибосому для их обработки и трансляции. Определенные ангиогенные рибонуклеазы, такие как ангиогенин (ANG), могут транслоцироваться и накапливаться в нуклеоле. Когда концентрация ANG становится слишком высокой, некоторые исследования показали, что ANG может связываться с промоторной областью рДНК и излишне увеличивать транскрипцию рРНК. Это может повредить нуклеолу и даже привести к неконтролируемой транскрипции и раку. В периоды ограничения глюкозы в клетках АМФ-активированная протеинкиназа (AMPK) подавляет метаболические процессы, потребляющие энергию, но не являющиеся необходимыми. В результате она способна фосфорилировать РНК-полимеразу I (в положении Ser 635) для снижения регуляции синтеза рРНК путем нарушения инициации транскрипции. Нарушение или удаление более чем одной псевдоуридиновой или 29O-метилирующей области из центра декодирования рибосомы значительно снижает скорость транскрипции рРНК за счет снижения скорости включения новых аминокислот. Формирование гетерохроматина необходимо для подавления транскрипции рРНК, без чего рибосомная РНК синтезируется бесконтрольно и значительно сокращает продолжительность жизни организма.

As the building blocks for the organelle, production of rRNA is ultimately the rate limiting step in the synthesis of a ribosome. In the nucleolus, rRNA is synthesized by RNA polymerase I using the specialty genes (rDNA) that encode for it, which are found repeatedly throughout the genome. The genes coding for 18S, 28S and 5.8S rRNA are located in the nucleolus organizer region and are transcribed into large precursor rRNA (pre rRNA) molecules by RNA polymerase I. These pre rRNA molecules are separated by external and internal spacer sequences and then methylated, which is key for later assembly and folding. After separation and release as individual molecules, assembly proteins bind to each naked rRNA strand and fold it into its functional form using cooperative assembly and progressive addition of more folding proteins as needed. The exact details of how the folding proteins bind to the rRNA and how correct folding is achieved remains unknown. The rRNA complexes are then further processed by reactions involving exo and endo nucleolytic cleavages guided by snoRNA (small nucleolar RNAs) in complex with proteins. As these complexes are compacted together to form a cohesive unit, interactions between rRNA and surrounding ribosomal proteins are constantly remodeled throughout assembly in order to provide stability and protect binding sites. This process is referred to as the "maturation" phase of the rRNA lifecycle. The modifications that occur during maturation of rRNA have been found to contribute directly to control of gene expression by providing physical regulation of translational access of tRNA and mRNA. Some studies have found that extensive methylation of various rRNA types is also necessary during this time to maintain ribosome stability. The genes for 5S rRNA are located inside the nucleolus and are transcribed into pre 5S rRNA by RNA polymerase III. The pre 5S rRNA enters the nucleolus for processing and assembly with 28S and 5.8S rRNA to form the LSU. 18S rRNA forms the SSUs by combining with numerous ribosomal proteins. Once both subunits are assembled, they are individually exported into the cytoplasm to form the 80S unit and begin initiation of translation of mRNA. Ribosomal RNA is non coding and is never translated into proteins of any kind: rRNA is only transcribed from rDNA and then matured for use as a structural building block for ribosomes. Transcribed rRNA is bound to ribosomal proteins to form the subunits of ribosomes and acts as the physical structure that pushes mRNA and tRNA through the ribosome to process and translate them. Certain angiogenic ribonucleases, such as angiogenin (ANG), can translocate and accumulate in the nucleolus. When the concentration of ANG becomes too high, some studies have found that ANG can bind to the promoter region of rDNA and unnecessarily increase rRNA transcription. This can be damaging to the nucleolus and can even lead to unchecked transcription and cancer. During times of cellular glucose restriction, AMP activated protein kinase (AMPK) discourages metabolic processes that consume energy but are non essential. As a result, it is capable of phosphorylating RNA polymerase I (at the Ser 635 site) in order to down regulate rRNA synthesis by disrupting transcription initiation. Impairment or removal of more than one pseudouridine or 29 O methylation regions from the ribosome decoding center significantly reduces rate of rRNA transcription by reducing the rate of incorporation of new amino acids. Formation of heterochromatin is essential to silencing rRNA transcription, without which ribosomal RNA is synthesized unchecked and greatly decreases the lifespan of the organism.

У прокариотов

Подобно эукариотам, выработка рРНК является лимитирующей стадией в прокариотическом синтезе рибосом. У E. coli было обнаружено, что рРНК транскрибируется из двух промоторов P1 и P2, расположенных в семи различных оперонах *rrn*. Промотор P1 специфически отвечает за регуляцию синтеза рРНК при умеренных и высоких темпах роста бактерий. Поскольку транскрипционная активность этого промотора прямо пропорциональна скорости роста, он играет основную роль в регуляции рРНК. Повышенная концентрация рРНК служит механизмом отрицательной обратной связи в отношении синтеза рибосом. Для эффективной транскрипции промоторов *rrn* P1 требуется высокая концентрация NTP. Считается, что NTP формируют стабилизирующие комплексы с РНК-полимеразой и промоторами. В бактериях эта связь высокой концентрации NTP с увеличенным синтезом рРНК предоставляет молекулярное объяснение зависимости рибосомного и, следовательно, белкового синтеза от скорости роста. Низкая скорость роста приводит к снижению скорости синтеза рРНК/рибосом, а более высокая скорость роста – к увеличению. Это позволяет клетке экономить энергию или повышать свою метаболическую активность в зависимости от потребностей и доступных ресурсов. В прокариотических клетках каждый ген или оперон рРНК транскрибируется в единый предшественник РНК, включающий последовательности 16S, 23S, 5S рРНК и тРНК, а также транскрибированные спейсеры. Обработка РНК начинается до завершения транскрипции. В ходе реакций обработки рРНК и тРНК высвобождаются в виде отдельных молекул.

Регуляция прокариотов

Из-за жизненно важной роли, которую играет рРНК в клеточной физиологии прокариотов, механизмы регуляции рРНК во многом перекрываются. На уровне транскрипции существуют как положительные, так и отрицательные эффекторы транскрипции рРНК, способствующие поддержанию клеточного гомеостаза: UP-элемент, расположенный выше по течению от промотора rrn P1, может связывать субъединицу РНК-полимеразы, тем самым стимулируя транскрипцию рРНК. Факторы транскрипции, такие как FIS, связываются выше по течению от промотора и взаимодействуют с РНК-полимеразой, что облегчает транскрипцию. Антитерминационные факторы связываются ниже по течению от промотора rrn P2, предотвращая преждевременное завершение транскрипции. Вследствие строгой регуляции, при низкой доступности аминокислот, ppGpp (отрицательный эффектор) может ингибировать транскрипцию с промоторов P1 и P2. Деградация может быть запущена при "остановке" рибосомы – состоянии, возникающем, когда рибосома распознает дефектную мРНК или сталкивается с другими проблемами при обработке, что приводит к прекращению трансляции. После остановки рибосомы на ней активируется специализированный путь, направленный на дезассемблию всего комплекса.

У эукариот

Как и в случае с любым белком или РНК, производство рРНК подвержено ошибкам, приводящим к образованию нефункциональной рРНК. Для исправления этого клетка обеспечивает деградацию рРНК посредством пути деградации нефункциональной рРНК (NRD). Большая часть исследований в этой области проводилась на эукариотических клетках, в частности, на дрожжах *Saccharomyces cerevisiae*. В настоящее время доступно лишь базовое понимание того, как клетки способны нацеливать функционально дефектные рибосомы на убиквитинирование и деградацию у эукариот. Путь NRD для субъединицы 40S может быть независимым или отдельным от пути NRD для субъединицы 60S. Наблюдалось, что определенные гены способны влиять на деградацию определенных пре-РНК, но не других. В пути NRD участвует множество белков, таких как Mms1p и Rtt101p, которые, как считается, образуют комплекс для нацеливания рибосом на деградацию. Mms1p и Rtt101p связываются друг с другом, и предполагается, что Rtt101p рекрутирует комплекс убиквитин-E3 лигазы, позволяя убиквитинировать нефункциональные рибосомы перед их деградацией. У прокариот отсутствует гомолог Mms1, поэтому неясно, как прокариоты способны деградировать нефункциональные рРНК. Скорость роста эукариотических клеток, по-видимому, не подвергается значительному влиянию накопления нефункциональных рРНК.

У прокариотов

Хотя исследований деградации рибосомной РНК у прокариотов значительно меньше, чем у эукариотов, сохраняется интерес к вопросу, следуют ли бактерии аналогичному механизму деградации, как NRD у эукариотов. Большинство исследований прокариотов проводились на Escherichia coli. Было выявлено множество различий между деградацией рРНК у эукариотов и прокариотов, что заставило исследователей предположить, что эти два типа организмов используют разные пути деградации. Определенные мутации в рРНК, способные вызывать деградацию рРНК у эукариотов, оказались неэффективными у прокариотов. Точечные мутации в 23S рРНК приводили к деградации как 23S, так и 16S рРНК, в то время как у эукариотов мутации в одной субъединице вызывали деградацию только этой субъединицы. Исследователи обнаружили, что удаление целой спиральной структуры (H69) из 23S рРНК не приводило к ее деградации. Это позволило им заключить, что H69 критически важна для распознавания и деградации мутировавшей рРНК эндонуклеазами.

Сохранение последовательности и стабильность

Из-за широкой распространенности и неизменности рРНК во всех организмах, изучение ее устойчивости к передаче генов, мутациям и изменениям, не приводящим к гибели организма, стало популярным направлением исследований. Гены рибосомной РНК оказались толерантными к модификациям и внедрению изменений. При изменении последовательности рРНК клетки становятся ослабленными и быстро теряют способность к нормальному функционированию. Эти ключевые свойства рРНК особенно важны для проектов создания баз данных генов (всеобъемлющих онлайн-ресурсов, таких как SILVA или SINA), где выравнивание последовательностей рибосомной РНК из различных биологических доменов значительно упрощает "таксономическую идентификацию, филогенетический анализ и изучение микробного разнообразия". Некодирующая РНК RNARD7 способна изменять процесс обработки рРНК, делая молекулы устойчивыми к деградации под действием карбоновых кислот. Это критически важный механизм поддержания концентрации рРНК во время активного роста, когда накопление кислоты (вследствие фосфорилирования субстрата, необходимого для производства АТФ) может стать токсичным для внутриклеточных функций. Встраивание рибозимов с молотковой структурой, способных к цис-расщеплению вдоль 16S рРНК, значительно подавляет функцию и снижает стабильность.

Значение

Характеристики рибосомной РНК важны в эволюции, следовательно, в таксономии и медицине. рРНК – один из немногих продуктов генов, присутствующих во всех клетках. В результате, многие тысячи последовательностей рРНК известны и хранятся в специализированных базах данных, таких как RDP II и SILVA. Изменения в рРНК позволяют некоторым патогенным бактериям, таким как Mycobacterium tuberculosis (бактерия, вызывающая туберкулез), развивать экстремальную лекарственную устойчивость. Подобные проблемы стали распространенными и в ветеринарной медицине, где основной метод борьбы с бактериальными инфекциями у домашних животных – введение препаратов, атакующих пептидилтрансферазный центр (ПТЦ) бактериальной рибосомы. Мутации в 23S рРНК обеспечивают полную устойчивость к этим препаратам, действуя совместно неизвестным образом для полного обхода ПТЦ. рРНК является мишенью для многих клинически значимых антибиотиков: хлорамфеникола, эритромицина, касугамицина, микрококцина, паромомицина, линезолида, альфа-сарцина, спектиномицина, стрептомицина и тиострептона. Показано, что рРНК является источником видоспецифических микроРНК, таких как miR-663 у человека и miR-712 у мышей. Эти микроРНК происходят из внутренних транскрибированных спейсеров рРНК.