Введение
Прерибосомная РНК (pre rRNA) является предшественником зрелой рибосомной РНК (rRNA), которая входит в состав рибосом. Пре-рРНК сначала транскрибируется из рибосомной ДНК (рДНК), затем подвергается расщеплению и процессингу с образованием зрелой рРНК.
Обзор
Во время или сразу после транскрипции пре-рРНК из рДНК в ядрышке, предшественник рибосомной РНК (пре-рРНК) модифицируется и ассоциирует с несколькими рибосомными белками. Малые нуклеолярные РНК (snoRNA) определяют модификации, посредством спаривания оснований с целевыми участками в эукариотической пре-рРНК, и могут также играть роль в формировании вторичной структуры пре-рРНК. Пре-рРНК содержит внешние транскрибируемые спейсеры (5' ETS, 3' ETS) на обоих концах, а также внутренние транскрибируемые спейсеры (ITS1, ITS2). Разрывы в участках A’ и T1 удаляют 5’ ETS и 3’ ETS соответственно. Разрывы в участках A0, 1 и 2 приводят к образованию 18S рРНК. Расщепление в участке 3 может происходить до или после расщепления в участках A0, 1 и 2 и может быть ответственно за связь между путями процессинга 18S и 28S рРНК. Последние этапы процессинга рРНК требуют расщепления в участках 3, 4’, 4 и 5 для получения зрелой 5.8S и 28S рРНК.
Модификации
Исследования показывают, что внутренние модификации в областях компонентов рРНК – 18S, 5.8S и 28S – происходят либо одновременно с синтезом пре-рРНК, либо сразу после него, и варьируются в зависимости от типа клетки. Модификации пре-рРНК у Ксенопуса включают десять метилирований оснований, 105 2’ O-метилирований рибозы и около 100 псевдоуридинов, в то время как рРНК дрожжей содержит лишь половину этих модификаций. Малые нуклеолярные РНК образуют комплементарные пары с пре-рРНК и определяют места модификаций. Различные семейства сноРНК осуществляют разные типы модификаций. snoRNA типа C/D направляет образование 2’ O-метилирования, а snoRNA типа H/ACA – образование псевдоуридинов. Предполагается, что взаимодействие оснований snoRNA с пре-рРНК выполняет роль шаперона при формировании пространственной структуры зрелой рРНК.
Рибосомные белки
Пре-рРНК состоит из трех основных размеров: 37S (дрожжи), 40S (Xenopus) и 45S (млекопитающие). В ходе ряда этапов почти 80 рибосомных белков собираются с пре-рРНК. Во время транскрипции пре-рРНК начинают ассоциироваться ранние рибосомальные связывающие белки. Предполагается, что этот 30S РНП, содержащий 45S пре-рРНК, является предшественником 80S РНП, который, в свою очередь, является предшественником 55S РНП. 55S РНП составляет около 75% нуклеолярной популяции прерибосом.
Обработка рибосомной РНК
Для образования зрелых рРНК 18S, 5.8S и 28S, пре-рРНК 40S (Xenopus) и 45S (млекопитающие) должна пройти через серию расщеплений для удаления внешних и внутренних спейсеров (ETS/ITS). Это может происходить по одному из двух путей. Путь 1 начинается с расщепления в сайте 3, который отделяет кодирующие области 5.8S и 28S рРНК в 32S пре-РНК от кодирующей области 18S рРНК в 20S пре-РНК. Путь 2 первоначально расщепляется в сайтах A0, 1 и 2, а затем в сайте 3.
U3 snoRNA
U3 snoRNA, наиболее распространенная snoRNA, необходимая для процессинга рРНК, влияет на выбор пути процессинга. Она ассоциирует с пре-рРНК посредством белок-белковых взаимодействий, а также посредством комплементарного спаривания оснований. Для нормального функционирования U3 необходимо спаривание оснований между 3'-петлей U3 и комплементарными последовательностями в 5' ETS. Однако спаривание между 5'-петлей U3 и 5' ETS может происходить, но не является необходимым для его функции. Нуклеолин, обильный фосфопротеин, связывается с пре-рРНК сразу после транскрипции и облегчает спаривание оснований между петлями U3 snoRNA и ETS.
Разрыв участков А и Т1
Область, где 5’ ETS сшивается с U3, известна как сайт A’, и иногда подвергается расщеплению в ходе первичной обработки пре-рРНК млекопитающих. Расщепление этого сайта зависит от U3, U14, E1 и E3 snoРНК, и хотя это расщепление не является обязательным условием для обработки пре-рРНК, докинг snoРНП критически важен для продукции 18S рРНК. Вскоре после расщепления в сайте A’, 3’ ETS расщепляется в сайте T1 под действием U8 snoРНК.
Разрыв участков А0, 1 и 2
Для последующего расщепления в участках A0, 1 и 2 требуются U3 snoRNA, U14 snoRNA snR30 и snR10 у дрожжей, а также U22 snoRNA у Xenopus. Расщепление этих участков скоординировано для получения зрелой 18S рРНК. Расщепление участка A0 требует Box A U3 snoRNA. Если Box A U3 мутирован, расщепление A0 ингибируется, и хотя 20S пре-рРНК накапливается, она не превращается в 19S рРНК, а расщепление в участках 1 и 2 также ингибируется, что указывает на то, что расщепление в A0 предшествует расщеплению в участках 1 и 2. Механизм расщепления участка 1 пока не известен, однако положение Box A U3 рядом с участком 1 подтверждает, что Box A снова необходим для расщепления участка 1. Однако для расщепления в участке 2 требуется 3'-конец Box A' и U3 snoRNA. После расщепления участка 2, 18S рРНК высвобождается из пре-рРНК.
Разрыв 3-го участка
В то время как U3 snoRNA необходима для формирования 18S рРНК, U8 snoRNA необходима для формирования 5.8S и 28S рРНК. Расщепление происходит в сайте 3, расположенном близко к концу ITS1, что приводит к образованию 32S пре-рРНК – долгоживущего промежуточного продукта. Расщепление в сайте 4’, внутри ITS2, образует предшественник 5.8S РНК, имеющий удлиненный 3'-конец. Для укорочения 3'-конца необходимо расщепление в сайтах 4 и 5. Предполагается, что сайт 3 может являться связующим звеном между путями процессинга 18S и 28S рРНК у высших организмов.
Различные типы
Пре-рРНК во всех биологических царствах демонстрирует сходства и различия. Эубактерии содержат 16S и 23S рРНК, расположенные в верхней части длинных парных штифтов, которые служат местом для обработки путем расщепления RNase III. Эти два штифта также присутствуют в пре-рРНК архей, однако они отсутствуют в пре-рРНК *Xenopus*. Предполагается, что хотя образование комплементарных пар оснований происходит во всех типах пре-рРНК, в эубактериальной пре-рРНК оно происходит *цис*, в то время как у эукариот – *транс* между snoРНК и терминами кодирующих участков рРНК в пре-рРНК. Не до конца ясно, почему все три царства используют пре-рРНК, а не транскрибируют непосредственно зрелые формы рРНК, но считается, что нетранслируемые участки в пре-рРНК могут играть определенную роль в правильном сворачивании рРНК.