Введение
Тип белка
РНК-связывающие белки (часто сокращаются как RBP) – это белки, которые связываются с двухцепочечной или одноцепочечной РНК в клетках и участвуют в формировании комплексов рибонуклеопротеинов. RBP содержат различные структурные мотивы, такие как мотив распознавания РНК (RRM), домен связывания с двухцепочечной РНК, цинковый палец и другие. Они являются цитоплазматическими и ядерными белками. Однако, поскольку большая часть зрелой РНК относительно быстро экспортируется из ядра, большинство RBP в ядре существуют в виде комплексов белка и пре-мРНК, называемых гетерогенными рибонуклеопротеиновыми частицами (hnRNP). RBP играют важную роль в различных клеточных процессах, таких как: клеточная функция, транспорт и локализация. Они особенно важны в посттранскрипционном контроле РНК, включая: сплайсинг, полиаденилирование, стабилизацию мРНК, локализацию мРНК и трансляцию. Эукариотические клетки экспрессируют разнообразные RBP с уникальной активностью связывания РНК и взаимодействием белок-белок. Согласно базе данных RBP для эукариотов (EuRBPDB), у человека насчитывается 2961 ген, кодирующий RBP. В ходе эволюции разнообразие RBP значительно возросло с увеличением числа интронов. Это разнообразие позволило эукариотическим клеткам использовать экзоны РНК в различных комбинациях, что привело к образованию уникального РНП (рибонуклеопротеина) для каждой РНК. Хотя RBP играют решающую роль в посттранскрипционной регуляции экспрессии генов, относительно небольшое количество RBP было изучено систематически. Теперь стало очевидно, что взаимодействия РНК-RBP играют важную роль во многих биологических процессах у различных организмов.
Структура
Многие РБП имеют модульную структуру и состоят из множественных повторов всего нескольких специфических базовых доменов, которые часто характеризуются короткими последовательностями. Различные РБП содержат эти последовательности, расположенные в разных комбинациях. Способность конкретного белка распознавать конкретную РНК эволюционировала посредством перестановки этих немногих базовых доменов. Каждый базовый домен способен распознавать РНК, однако для функционирования многим из этих белков требуется несколько копий одного из распространенных доменов.
Альтернативное сплайсирование
Альтернативный сплайсинг – это механизм, посредством которого различные формы зрелых мРНК (матричных РНК) образуются из одного и того же гена. Это регуляторный механизм, в котором вариации в включении экзонов в мРНК приводят к продукции более чем одного родственного белка, тем самым расширяя потенциальный выход генома. RBPs (белки, связывающиеся с РНК) широко участвуют в регуляции этого процесса. Некоторые связывающие белки, такие как нейрон-специфические белки, связывающиеся с РНК, в частности NOVA1, контролируют альтернативный сплайсинг подмножества hnРНК, распознавая и связываясь с определенной последовательностью в РНК (YCAY, где Y обозначает пиримидин, U или C). Эти белки затем рекрутируют белки сплайсосомы к этому участку-мишени. SR-белки также хорошо известны своей ролью в альтернативном сплайсинге посредством рекрутирования snРНК, которые формируют сплайсосому, а именно U1 snРНК и U2AF snРНК. Однако RBPs также являются частью самой сплайсосомы. Сплайсосома – это комплекс субъединиц сРНК и белков, который действует как механический аппарат для удаления интронов и лигирования фланкирующих экзонов.
Редактирование РНК
Наиболее изученной формой редактирования РНК является белок ADAR. Этот белок функционирует посредством посттранскрипционной модификации мРНК-транскриптов путем изменения нуклеотидного состава РНК. Это достигается путем превращения аденозина в инозин в ферментативной реакции, катализируемой ADAR. Этот процесс эффективно изменяет последовательность РНК по сравнению с закодированной геномом и расширяет разнообразие продуктов генов. Большинство случаев редактирования РНК происходит в некодирующих областях РНК; однако, было показано, что некоторые РНК-транскрипты, кодирующие белки, также подвергаются редактированию, что приводит к изменению аминокислотной последовательности их белка. Примером является мРНК глутаматного рецептора, где глутамин превращается в аргинин, что приводит к изменению функциональности белка. Более поздние исследования РНК, связанных с FMRP и обнаруженных в микродисектированных дендритах CA1 гиппокампальных нейронов, не выявили различий в локализации в мозге мышей дикого типа и мышей с нокаутом FMRP.
Перевод
Трансляционная регуляция обеспечивает быстрый механизм контроля экспрессии генов. В отличие от контроля экспрессии генов на транскрипционном уровне, мРНК уже транскрибируется, но контролируется рекрутирование рибосом. Это позволяет быстро синтезировать белки при активации трансляции сигналом. ZBP1, помимо своей роли в локализации мРНК B-актина, также участвует в трансляционной репрессии мРНК бета-актина, блокируя инициацию трансляции. Для обеспечения правильного связывания рибосомы и начала трансляции ZBP1 необходимо удалить из мРНК. Специфическое связывание белков, связывающих РНК, позволяет им распознавать свои мишени и регулировать различные клеточные функции, контролируя синтез, созревание и период полураспада РНК-транскриптов. Это взаимодействие начинается во время транскрипции: некоторые РБП остаются связанными с РНК до ее деградации, в то время как другие временно связываются с РНК для регуляции сплайсинга, процессинга, транспорта и локализации РНК. Методы перекрестного связывания и иммунопреципитации (CLIP) используются для точной идентификации прямых сайтов связывания РНК с белками, связывающими РНК, в различных тканях и организмах. В этом разделе будут рассмотрены три класса наиболее изученных доменов связывания РНК: мотив распознавания РНК, мотив связывания двухцепочечной РНК и мотив цинкового пальца.
Мотив распознавания РНК (RRM)
Мотив распознавания РНК, являющийся наиболее распространенным мотивом связывания РНК, представляет собой небольшой белковый домен из 75–85 аминокислот, формирующий четырехцепочечный β-лист, расположенный против двух α-спиралей. Этот мотив распознавания выполняет свою функцию во множестве клеточных процессов, особенно в обработке мРНК/рРНК, сплайсинге, регуляции трансляции, экспорте РНК и обеспечении стабильности РНК. Десять структур РРМ были определены методами ЯМР-спектроскопии и рентгеновской кристаллографии. Эти структуры демонстрируют сложность распознавания РНК белком РРМ, поскольку оно включает взаимодействия РНК-РНК и белок-белок, помимо взаимодействий белок-РНК. Несмотря на эту сложность, все десять структур обладают некоторыми общими характеристиками. Было установлено, что четырехцепочечный β-лист основных белковых поверхностей всех РРМ взаимодействует с РНК, которая обычно контактирует с двумя или тремя нуклеотидами специфическим образом. Кроме того, высокая аффинность и специфичность связывания РНК, а также чувствительность к вариациям достигаются за счет взаимодействия между междоменным линкером и РНК, а также между самими РРМ. Эта пластичность РРМ объясняет, почему он является наиболее распространенным доменом и почему играет важную роль в различных биологических функциях. Обширные исследования на нематоде *C. elegans* выявили белки, связывающие РНК, как необходимые факторы в процессе развития зародышевой линии и на ранних стадиях эмбрионального развития. Их специфическая функция заключается в развитии соматических тканей (нейронов, гиподермы, мышц и экскреторных клеток), а также в предоставлении сигналов, определяющих время развития. Тем не менее, выяснение механизма, лежащего в основе функции РБП в развитии, представляет собой сложную задачу из-за трудностей в идентификации их РНК-мишеней. Это связано с тем, что большинство РБП обычно имеют несколько РНК-мишеней. Однако неоспоримо, что РБП осуществляют критический контроль, регулируя пути развития согласованным образом.
Развитие зародышевой линии
У Drosophila melanogaster гены Elav, Sxl и tra 2 кодируют белки, связывающие РНК, и играют критическую роль в раннем определении пола и поддержании соматического полового статуса. Эти гены оказывают влияние на посттранскрипционном уровне, регулируя полоспецифический сплайсинг у дрозофилы. Sxl осуществляет положительную регуляцию феминизирующего гена tra, обеспечивая производство функциональной tra мРНК у самок. У C. elegans белки, связывающие РНК, включая FOG 1, MOG 1/4/5 и RNP 4, регулируют определение пола в зародышевой линии и соматических клетках. Кроме того, несколько РБП, таких как GLD 1, GLD 3, DAZ 1, PGL 1 и OMA 1/2, выполняют свои регуляторные функции во время прогрессирования мейотической профазы, гаметогенеза и созревания ооцитов. Другие белки, связывающие РНК, участвующие в формировании дендритов, – Pumilio и Nanos, FMRP, CPEB и Staufen 1.
Роль в раковых заболеваниях
РБП все чаще оказываются ключевыми факторами в развитии опухолей. Сотни РБП значительно нарушены при различных онкологических заболеваниях человека, при этом в опухолях по сравнению с нормальными тканями наблюдается преимущественно снижение их экспрессии. К ним относятся ELAVL1 (HuR), FXR1 и UHMK1. Для некоторых РБП изменения в экспрессии связаны с вариациями числа копий (CNV), например, усилением CNV гена BYSL в клетках колоректального рака. Некоторые изменения экспрессии обусловлены мутациями в генах, кодирующих эти РБП, например, NSUN6, ZC3H13, ELAC1, RBMS3, ZGPAT, SF3B1, SRSF2, RBM10, U2AF1, PPRC1, RBMXL1, HNRNPCL1 и другие. Ряд исследований связывает эти изменения в экспрессии РБП с нарушенным альтернативным сплайсингом при раке.
Текущие исследования
Поскольку белки, связывающие РНК, оказывают значительный контроль над многочисленными клеточными функциями, они стали популярной областью исследований для многих ученых. В связи с их важностью в биологии, в последнее время было сделано множество открытий относительно потенциала белков, связывающих РНК. РНК-связывающий белок Sam68 контролирует пространственную и временную компартментализацию метаболизма РНК для обеспечения надлежащей синаптической функции в дендритах. Потеря Sam68 приводит к аномальной посттранскрипционной регуляции и, в конечном итоге, к неврологическим расстройствам, таким как тремор/атаксия, связанная с синдромом ломкой Х-хромосомы. Было обнаружено, что Sam68 взаимодействует с мРНК, кодирующей β-актин, который регулирует синаптическое формирование дендритных шипиков посредством своих цитоскелетных компонентов. Следовательно, Sam68 играет критическую роль в регуляции количества синапсов, контролируя постсинаптический метаболизм мРНК β-актина. Нейрон-специфический РНК-связывающий белок UNC 75 семейства CELF специфически связывается с участком мРНК UUGUUGUUGU через три мотива распознавания РНК для селекции экзона 7a в нейронных клетках *C. elegans*. Поскольку экзон 7a исключается из-за слабых сайтов сплайсинга в не-нейронных клетках, было обнаружено, что UNC 75 специфически активирует сплайсинг между экзоном 7a и экзоном 8 только в нейронных клетках. РНК-связывающий белок CIRBP, индуцируемый холодом, играет роль в контроле клеточного ответа при столкновении с различными клеточными стрессами, включая ультрафиолетовое излучение коротких волн, гипоксию и гипотермию. Данное исследование имеет потенциальные последствия для связи состояний заболеваний с воспалением. Белок семейства серин-аргинин, связывающий РНК, Slr1, был обнаружен, осуществляющим контроль над поляризованным ростом *Candida albicans*. Мутации Slr1 у мышей приводят к снижению филаментации и уменьшению повреждения эпителиальных и эндотелиальных клеток, что приводит к увеличению выживаемости по сравнению со штаммами Slr1 дикого типа. Таким образом, данное исследование показывает, что SR-подобный белок Slr1 играет роль в инициировании образования гиф и вирулентности у *C. albicans*.