Внутримолекулярное спаривание оснований в РНК и ДНК: структура и функции шпильковых петель.
Stem-loop
Внутримолекулярное спаривание оснований в РНК и ДНК: структура "шпилька" – важный элемент вторичной структуры РНК, влияющий на её сворачивание и стабильность.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Внутримолекулярное спаривание оснований в РНК и ДНК.
Intramolecular base pairing pattern in RNA and DNA
Внутримолекулярное спаривание оснований в форме «стебель-петля» – это структура, которая может возникать в одноцепочечной РНК. Эта структура также известна как «шпилька» или «петля шпильки». Она образуется, когда два участка одной и той же цепи, обычно комплементарные по нуклеотидной последовательности при чтении в противоположных направлениях, образуют пары оснований, формируя двойную спираль, завершающуюся непоспаренной петлей. Полученная структура является ключевым элементом многих вторичных структур РНК. Как важная вторичная структура РНК, она может направлять сворачивание РНК, обеспечивать структурную стабильность мРНК (матричной РНК), предоставлять сайты распознавания для белков, связывающихся с РНК, и служить субстратом для ферментативных реакций.
Stem loop intramolecular base pairing is a pattern that can occur in single stranded RNA. The structure is also known as a hairpin or hairpin loop. It occurs when two regions of the same strand, usually complementary in nucleotide sequence when read in opposite directions, base pair to form a double helix that ends in an unpaired loop. The resulting structure is a key building block of many RNA secondary structures. As an important secondary structure of RNA, it can direct RNA folding, protect structural stability for messenger RNA (mRNA), provide recognition sites for RNA binding proteins, and serve as a substrate for enzymatic reactions.
Формирование и стабильность
Формирование структуры «стебель-петля» зависит от стабильности образующихся спиральных и петлевых областей. Первым необходимым условием является наличие последовательности, способной сворачиваться обратно на себя, формируя парную двойную спираль. Стабильность этой спирали определяется ее длиной, количеством неспаривания оснований или выступов (небольшое количество допустимо, особенно в длинной спирали) и базовым составом спаренной области. Пары гуанина и цитозина имеют три водородные связи и более стабильны, чем пары аденина и урацила, которые имеют только две. В РНК пары аденина и урацила, содержащие две водородные связи, эквивалентны аденин-тиминовой связи в ДНК. Взаимодействия штабелирования оснований, которые выравнивают π-связи ароматических колец оснований в благоприятной ориентации, также способствуют формированию спирали. Стабильность петли также влияет на формирование структуры «стебель-петля». «Петли» длиной менее трех оснований стерически невозможны и не формируются. Большие петли, не имеющие собственной вторичной структуры (например, псевдоузловое спаривание), также нестабильны. Оптимальная длина петли обычно составляет около 4-8 оснований. Одна распространенная петля с последовательностью UUCG известна как «тетралуп» и особенно стабильна благодаря взаимодействиям штабелирования оснований ее составляющих нуклеотидов. Поэтому такие петли могут образовываться за микросекунды.
The formation of a stem loop structure is dependent on the stability of the resulting helix and loop regions. The first prerequisite is the presence of a sequence that can fold back on itself to form a paired double helix. The stability of this helix is determined by its length, the number of mismatches or bulges it contains (a small number are tolerable, especially in a long helix) and the base composition of the paired region. Pairings between guanine and cytosine have three hydrogen bonds and are more stable compared to adenine uracil pairings, which have only two. In RNA, adenine uracil pairings featuring two hydrogen bonds are equal to the adenine thymine bond of the DNA. Base stacking interactions, which align the pi bonds of the bases' aromatic rings in a favorable orientation, also promote helix formation. The stability of the loop also influences the formation of the stem loop structure. "Loops" that are fewer than three bases long are sterically impossible and do not form. Large loops with no secondary structure of their own (such as pseudoknot pairing) are also unstable. Optimal loop length tends to be about 4 8 bases long. One common loop with the sequence UUCG is known as the "tetraloop" and is particularly stable due to the base stacking interactions of its component nucleotides. Therefore, such loops can form on the microsecond time scale.
Структурные контексты
Стеблевые петли встречаются в структурах пре-микроРНК и, наиболее известны, в транспортной РНК, которая содержит три настоящих стеблевых петли и один стебель, образующие структуру, напоминающую клеверный лист. Антикодон, распознающий кодон в процессе трансляции, находится на одной из неспаренных петель в тРНК. Две вложенные стеблевые петли встречаются в РНК-псевдоузлах, где петля одной структуры формирует часть второго стебля. Многие рибозимы также содержат стеблевые петли. Саморасщепляющийся рибозим «молоток» содержит три стеблевые петли, сходящиеся в центральной неспаренной области, где находится сайт расщепления. Основная вторичная структура рибозима «молоток» необходима для его саморасщепляющей активности. Волосковые петли часто являются элементами, встречающимися в 5'-UTR прокариот. Эти структуры часто связываются с белками или вызывают аттенуацию транскрипта для регуляции трансляции. Стеблевая петля мРНК, формирующаяся в месте связывания рибосомы, может контролировать инициацию трансляции. Стеблевые петли также важны в прокариотической ро-независимой терминации транскрипции. Волосковая петля формируется в цепи мРНК во время транскрипции и вызывает диссоциацию РНК-полимеразы от матричной цепи ДНК. Этот процесс известен как ро-независимая или внутренняя терминация, а вовлеченные последовательности называются терминаторными последовательностями.
Stem loops occur in pre microRNA structures and most famously in transfer RNA, which contain three true stem loops and one stem that meet in a cloverleaf pattern. The anticodon that recognizes a codon during the translation process is located on one of the unpaired loops in the tRNA. Two nested stem loop structures occur in RNA pseudoknots, where the loop of one structure forms part of the second stem. Many ribozymes also feature stem loop structures. The self cleaving hammerhead ribozyme contains three stem loops that meet in a central unpaired region where the cleavage site lies. The hammerhead ribozyme's basic secondary structure is required for self cleavage activity. Hairpin loops are often elements found within the 5'UTR of prokaryotes. These structures are often bound by proteins or cause the attenuation of a transcript in order to regulate translation. The mRNA stem loop structure forming at the ribosome binding site may control an initiation of translation. Stem loop structures are also important in prokaryotic rho independent transcription termination. The hairpin loop forms in an mRNA strand during transcription and causes the RNA polymerase to become dissociated from the DNA template strand. This process is known as rho independent or intrinsic termination, and the sequences involved are called terminator sequences.