Псевдоуридин: структура, функции и роль в РНК

Введение

Химическое соединение

Псевдоуридин (5-рибозилурацил, обозначается греческой буквой пси Ψ) является изомером нуклеозида уридина, в котором урацил присоединен посредством углерод-углеродной, а не азот-углеродной гликозидной связи. Псевдоуридин – наиболее распространенное модифицирование РНК в клеточной РНК. После транскрипции и синтеза РНК может подвергаться более чем 100 химически различных модификаций. Эти модификации потенциально могут регулировать экспрессию РНК посттранскрипционно, в дополнение к четырем стандартным нуклеотидам, и выполнять разнообразные функции в клетке, включая трансляцию, локализацию и стабилизацию РНК. Псевдоуридин, являясь одной из таких модификаций, представляет собой C5-гликозидный изомер уридина, содержащий связь C-C между C1 рибозного сахара и C5 урацила, в отличие от обычной связи C1-N1, присутствующей в уридине. Превращение уридина в псевдоуридин происходит путем вращения молекулы уридина на 180° вокруг оси N3-C6. Углерод-углеродная связь обеспечивает большую свободу вращения и конформационную гибкость. Кроме того, псевдоуридин имеет дополнительный донор водородной связи в положении N1. Псевдоуридин является повсеместным компонентом структурных РНК (транспортной, рибосомной, малой ядерной (snРНК) и малой нуклеолярной РНК) и присутствует в кодирующей РНК во всех трех филогенетических доменах жизни, будучи первым открытым модифицированным нуклеозидом. На его долю приходится 4% нуклеотидов в дрожжевой тРНК. Эта модификация основания способна стабилизировать РНК и улучшать укладку оснований за счет образования дополнительных водородных связей с водой через дополнительную иминогруппу. В рРНК *Escherichia coli* содержится 11 псевдоуридинов, в цитоплазматической рРНК дрожжей – 30, в митохондриальной 21S рРНК – одна модификация и около 100 псевдоуридинов в человеческой рРНК, что указывает на увеличение степени псевдоуридилирования с повышением сложности организма. Псевдоуридин также был обнаружен в геноме *Leishmania donovani*. 18 участков модификации псевдоуридином были обнаружены в месте входа пептидилтрансферазы и в туннеле входа мРНК при трансляции белка. Эти модификации у паразита приводят к увеличению синтеза белка и скорости роста. Показано, что псевдоуридин в рРНК и тРНК тонко настраивает и стабилизирует региональную структуру, помогая поддерживать их функции в декодировании мРНК, сборке рибосомы, процессинге и трансляции. Псевдоуридин в snРНК усиливает взаимодействие сплицеосомной РНК с пре-мРНК для облегчения регуляции сплайсинга.

Pseudouridine (5 ribosyluracil, abbreviated by the Greek letter psi Ψ) is an isomer of the nucleoside uridine in which the uracil is attached via a carbon carbon instead of a nitrogen carbon glycosidic bond. Pseudouridine is the most abundant RNA modification in cellular RNA. After transcription and following synthesis, RNA can be modified with over 100 chemically distinct modifications. These can potentially regulate RNA expression post transcriptionally, in addition to the four standard nucleotides and play a variety of roles in the cell including translation, localization and stabilization of RNA. Pseudouridine, being one of them, is the C5 glycoside isomer of uridine that contains a C C bond between C1 of the ribose sugar and C5 of uracil, rather than usual C1 N1 bond found in uridine. Uridine is converted to pseudouridine by rotating the uridine molecule 180𝄪 across its N3 C6 axis. The C C bond gives it more rotational freedom and conformational flexibility. In addition, pseudouridine has an extra hydrogen bond donor at the N1 position. Pseudouridine is a ubiquitous constituent of structural RNA (transfer, ribosomal, small nuclear (snRNA) and small nucleolar), and present in coding RNA, across the three phylogenetic domains of life and was the first discovered. It accounts for 4% of the nucleotides in the yeast tRNA This base modification is able to stabilize RNA and improve base stacking by forming additional hydrogen bonds with water through its extra imino group. There are 11 pseudouridines in the Escherichia coli rRNA, 30 in yeast cytoplasmic rRNA and a single modification in mitochondrial 21S rRNA and about 100 pseudouridines in human rRNA indicating that the extent of pseudouridylation increases with the complexity of an organism. Pseudouridine was also detected in Leishmania donovani genome. 18 pseudouridine modification sites were detected in the peptidyl transferase entry site and in the mRNA entry tunnel in protein translation. These modifications in the parasite lead to increased protein synthesis and growth rate. Pseudouridine in rRNA and tRNA has been shown to fine tune and stabilize the regional structure and help maintain their functions in mRNA decoding, ribosome assembly, processing and translation. Pseudouridine in snRNA has been shown to enhance spliceosomal RNA pre mRNA interaction to facilitate splicing regulation.

ТРНК

Ψ широко распространен в этом классе РНК и облегчает формирование общих структурных мотивов тРНК. Один из таких мотивов – шпилька TΨC, включающая Ψ55. Ψ обычно обнаруживается в D-стебле и стебле-петле антикодона тРНК из каждого домена. В каждом структурном мотиве уникальные физико-химические свойства Ψ стабилизируют структуры, которые были бы невозможны со стандартным U. В вакцине против SARS-CoV-2 от BioNTech/Pfizer, также известной как BNT162b2, тозинамеран или Комирнати, все U заменены на N1-метилпсевдоуридин – нуклеозид, родственный Ψ, содержащий метильную группу, присоединенную к атому N1.

рРНК

Ψ обнаружен в больших и малых рибосомных субъединицах всех доменов жизни и их органелл. В рибосоме остатки Ψ концентрируются в доменах II, IV и V и стабилизируют взаимодействия РНК-РНК и/или РНК-белок. Стабильность, обеспечиваемая Ψ, может способствовать сворачиванию рРНК и сборке рибосомы. Ψ также может влиять на стабильность локальных структур, что сказывается на скорости и точности декодирования и корректуры во время трансляции. PUS 1 локализован в ядре и модифицирует тРНК в различных позициях, U44 snRNA U2 и U28 snRNA U6. Исследования показали, что экспрессия PUS 1 повышается при воздействии факторов стресса и играет важную роль в регуляции сплайсинга РНК. Кроме того, PUS 1 необходим для транспортировки тРНК, синтезированной в ядре, в цитоплазму.

Трюдо

TruD способен модифицировать различные виды РНК, и неясно, как распознаются эти различные РНК-субстраты. PUS 7 модифицирует U2 snRNA в положении 35, и эта модификация усиливается при тепловом шоке клеток. Другая модификация происходит в цитоплазматической тРНК в положении 13 и в положении 35 в пре-тРНАТyr. Кажется, специфичность модификации PUS 7 не зависит от типа РНК, поскольку мРНК также подвергается псевдоуридилированию под действием PUS 7. Распознавание происходит по последовательности РНК UGUAR, при этом второй U является нуклеотидом, который будет модифицирован. Псевдоуридилирование мРНК PUS 7 увеличивается во время теплового шока, поскольку белок перемещается из ядра в цитоплазму. Предполагается, что эта модификация повышает стабильность мРНК во время теплового шока до попадания РНК в ядро или митохондрии, однако необходимы дальнейшие исследования. Для химической идентификации псевдоуридина используется соединение под названием CMC или N-циклогексил-N'-β-(4-метилморфолиний)этилкарбодиимид, которое позволяет специфически метить и различать уридин и псевдоуридин. CMC связывается как с псевдоуридином, так и с уридином, но прочнее с псевдоуридином из-за наличия третьего атома азота, способного образовывать водородную связь. CMC, связанный с псевдоуридином, затем может быть визуализирован путем присоединения сигнальной молекулы. В настоящее время этот метод дорабатывается для повышения производительности.

Медицинская значимость псевдоуридина

Псевдоуридин оказывает тонкое, но значительное влияние на близлежащий сахарофосфатный остов и также усиливает π-π стэкинг оснований. Эти эффекты могут лежать в основе биологической роли большинства, но, возможно, не всех псевдоуридиновых остатков в РНК. Определенные генетические мутанты, лишенные специфических псевдоуридиновых остатков в тРНК или рРНК, испытывают трудности с трансляцией, демонстрируют замедленные темпы роста и не способны эффективно конкурировать с диким типом штаммов в смешанной культуре. Модификации псевдоуридина также вовлечены в развитие таких заболеваний человека, как митохондриальная миопатия и сидеробластическая анемия (MLASA) и врожденный дискератоз. Псевдоуридиляция также ассоциируется с патогенезом материнского наследственного диабета и глухоты (MIDD). В частности, точечная мутация в митохондриальной тРНК, по-видимому, препятствует псевдоуридилированию одного нуклеотида, тем самым изменяя третичную структуру тРНК. Это может приводить к повышенной нестабильности тРНК, вызывая дефицит митохондриальной трансляции и дыхания. N1-метилпсевдоуридин вызывает еще меньший врожденный иммунный ответ, чем Ψ, а также улучшает способность к трансляции. Поэтому в мРНК-вакцинах Pfizer BioNTech и Moderna используется N1-метилпсевдоуридин, а не Ψ.