Введение
Класс молекул РНК. Малая ядерная РНК (snRNA) — это класс малых молекул РНК, которые находятся в сплайсинговых пятнах и тельцах Cajal ядра клетки в эукариотических клетках. Длина средней snRNA составляет примерно 150 нуклеотидов. Они транскрибируются либо РНК-полимеразой II, либо РНК-полимеразой III. Их основная функция заключается в процессинге предшествующей мРНК (hnRNA) в ядре. Также было показано, что они участвуют в регуляции факторов транскрипции (7SK РНК) или РНК-полимеразы II (B2 РНК), а также в поддержании теломер. snRNA всегда ассоциированы с набором специфических белков, и образующиеся комплексы называются малыми ядерными рибонуклеопротеинами (snRNP, часто произносится как "снёрпы"). Каждая частица snRNP состоит из компонента snRNA и нескольких белков, специфичных для snRNP (включая белки Sm — семейство ядерных белков). Наиболее распространенные компоненты человеческой snRNA в этих комплексах известны как: U1 сплайсосомная РНК, U2 сплайсосомная РНК, U4 сплайсосомная РНК, U5 сплайсосомная РНК и U6 сплайсосомная РНК. Их номенклатура происходит от высокого содержания уридина. snRNA были обнаружены случайно в 1966 году во время эксперимента по гель-электрофорезу. В геле был обнаружен неожиданный тип РНК, который был исследован. Последующий анализ показал, что эти РНК богаты уридилатом и локализуются в ядре. snRNA и малые нуклеолярные РНК (snoRNA) — это не одно и то же, и ни одна из них не является подтипом другой. Обе различны и относятся к классу малых РНК. Это малые молекулы РНК, которые играют важную роль в биогенезе РНК и направляют химические модификации рибосомальных РНК (рРНК) и других генов РНК (тРНК и snRNA). Они локализуются в ядрышке и тельцах Cajal эукариотических клеток (основных местах синтеза РНК), где они называются scaRNA (малые РНК, специфичные для тел Cajal).
Small nuclear RNA (snRNA) is a class of small RNA molecules that are found within the splicing speckles and Cajal bodies of the cell nucleus in eukaryotic cells. The length of an average snRNA is approximately 150 nucleotides. They are transcribed by either RNA polymerase II or RNA polymerase III. Their primary function is in the processing of pre messenger RNA (hnRNA) in the nucleus. They have also been shown to aid in the regulation of transcription factors (7SK RNA) or RNA polymerase II (B2 RNA), and maintaining the telomeres. snRNA are always associated with a set of specific proteins, and the complexes are referred to as small nuclear ribonucleoproteins (snRNP, often pronounced "snurps"). Each snRNP particle is composed of a snRNA component and several snRNP specific proteins (including Sm proteins, a family of nuclear proteins). The most common human snRNA components of these complexes are known, respectively, as: U1 spliceosomal RNA, U2 spliceosomal RNA, U4 spliceosomal RNA, U5 spliceosomal RNA, and U6 spliceosomal RNA. Their nomenclature derives from their high uridine content. snRNAs were discovered by accident during a gel electrophoresis experiment in 1966. An unexpected type of RNA was found in the gel and investigated. Later analysis has shown that these RNA were high in uridylate and were established in the nucleus. snRNAs and small nucleolar RNAs (snoRNAs) are not the same and neither is a subtype of the other. Both are different and are a class under small RNAs. These are small RNA molecules that play an essential role in RNA biogenesis and guide chemical modifications of ribosomal RNAs (rRNAs) and other RNA genes (tRNA and snRNAs). They are located in the nucleolus and the Cajal bodies of eukaryotic cells (the major sites of RNA synthesis), where they are called scaRNAs (small Cajal body specific RNAs).
Классы
СНРНК часто разделяют на два класса, основываясь как на общих особенностях последовательности, так и на ассоциированных белковых факторах, таких как белки LSm, связывающие РНК. Первый класс, известный как snRNA класса Sm, более широко изучен и состоит из U1, U2, U4, U4atac, U5, U7, U11 и U12. СНРНК класса Sm транскрибируются РНК-полимеразой II. Пре-снРНК транскрибируются и получают обычную 7-метилгуанозиновую 5'-крышку в ядре. Затем они экспортируются в цитоплазму через ядерные поры для дальнейшей обработки. В цитоплазме снРНК подвергаются 3'-укорачиванию с образованием 3'-шпильковой структуры, а также гиперметилированию 5'-крышки с образованием триметилгуанозина. 3'-шпильковая структура необходима для распознавания белком выживания моторных нейронов (SMN). Этот комплекс собирает snRNA в стабильные рибонуклеопротеины (РНП). Затем модифицированная 5'-крышка необходима для импорта snRNP обратно в ядро. Все эти богатые уридином snRNA, за исключением U7, формируют ядро сплайсосомы. Сплайсинг, или удаление интронов, является важным аспектом посттранскрипционной модификации и происходит только в ядре эукариот. Было обнаружено, что U7 snRNA функционирует в процессе обработки пре-мРНК гистонов. Второй класс, известный как snRNA класса Lsm, состоит из U6 и U6atac. СНРНК класса Lsm транскрибируются РНК-полимеразой III и никогда не покидают ядро, в отличие от СНРНК класса Sm. СНРНК класса Lsm содержат 5'-γ-монометилфосфатную крышку и 3'-шпильку, заканчивающуюся участком уридинов, которые формируют место связывания для отдельного гетерогептамерного кольца белков Lsm.
В сплайцеосоме
Сплицеосомы катализируют сплайсинг – неотъемлемый этап созревания предшествующей мРНК эукариот. Ошибка сплайсинга даже в одном нуклеотиде может быть губительной для клетки, и для обеспечения выживания клетки необходим надежный и воспроизводимый метод обработки РНК. Сплицеосома представляет собой крупный комплекс белок-РНК, состоящий из пяти малых ядерных РНК (U1, U2, U4, U5 и U6) и более 150 белков. Малые ядерные РНК (мяРНК), вместе со своими ассоциированными белками, формируют рибонуклеопротеиновые комплексы (snRNP), которые связываются со специфическими последовательностями на пре-мРНК субстрате. Этот сложный процесс приводит к двум последовательным реакциям транэстерификации. Эти реакции приводят к образованию свободного интрона в виде лариата и лигированию двух экзонов с образованием зрелой мРНК. Существуют два отдельных класса сплайцеосом. Основной класс, который значительно более распространен в эукариотических клетках, осуществляет сплайсинг преимущественно интронов типа U2. Начальным этапом сплайсинга является связывание snRNP U1 и ассоциированных с ним белков с 5'-концом сплайса на hnРНК. Это создает комплекс коммитмента, который направляет hnРНК по пути сплайсинга. Затем snRNP U2 рекрутируется к месту связывания сплайцеосомы и формирует комплекс A, после чего связывается комплекс U4/U6 tri snRNP с комплексом A, образуя структуру, известную как комплекс B. После перестройки формируется комплекс C, и сплайцеосома становится каталитически активной. В каталитически активной сплайцеосоме мяРНК U2 и U6 формируют складку, образуя консервативную структуру, называемую каталитическим триплексом. Эта структура координирует два иона магния, формирующих активный центр сплайцеосомы. Это пример РНК-катализа. Помимо этого основного комплекса сплайцеосом, существует гораздо менее распространенный (~1%) минорный сплайцеосом. Этот комплекс состоит из snRNP U11, U12, U4atac, U6atac и U5. Эти snRNP являются функциональными аналогами snRNP, используемых в основном сплайцеосоме. Минорный сплайцеосом осуществляет сплайсинг интронов типа U12. Два типа интронов в основном различаются своими сайтами сплайсинга: интроны типа U2 имеют сайты сплайсинга GT-AG на 5' и 3' концах, в то время как интроны типа U12 имеют AT-AC на своих 5' и 3' концах. Минорный сплайцеосом выполняет свою функцию по отличному от основного сплайцеосома пути.
U1 snRNA
U1 snRNP является инициатором активности сплайсосомы в клетке за счет образования комплементарных пар оснований с 5'-сайтом сплайсинга пре-мРНК. В основном сплайсосоме экспериментальные данные показали, что U1 snRNP присутствует в эквимолярном соотношении с U2, U4, U5 и U6 snRNP. Однако, количество U1 snRNP в клетках человека значительно превышает количество других snRNP. Исследования, проведенные путем подавления гена U1 snRNA в клетках HeLa, показали, что U1 snRNA играет важную роль в клеточной функции. При нокауте генов U1 snRNA, геномные микроматрицы показали повышенное накопление несплайсированной пре-мРНК. Кроме того, было показано, что нокаут вызывает преждевременное расщепление и полиаденилирование, преимущественно в интронах, расположенных вблизи начала транскрипта. При нокауте других snRNA на основе уридина этот эффект не наблюдался. Таким образом, образование пар оснований между U1 snRNA и пре-мРНК защищает пре-мРНК от полиаденилирования, а также от преждевременного расщепления. Эта специфическая защита может объяснить избыточное количество U1 snRNA в клетке.
snRNP и болезни человека
Благодаря изучению малых ядерных рибонуклеопротеинов (snRNP) и малых нуклеолярных (sno) RNP мы смогли лучше понять многие важные заболевания. Спинальная мышечная атрофия – Мутации в гене выживания моторного нейрона 1 (SMN1) приводят к дегенерации спинальных моторных нейронов и тяжелой мышечной атрофии. Белок SMN собирает snRNP класса Sm, а также, вероятно, snoRNP и другие РНП. Спинальная мышечная атрофия поражает до 1 из 6000 человек и является второй ведущей причиной нейромышечных заболеваний после миодистрофии Дюшенна. Врожденный дискератоз – Мутации в собранных snRNP также являются причиной врожденного дискератоза, редкого синдрома, который проявляется аномальными изменениями кожи, ногтей и слизистых оболочек. К конечным последствиям этого заболевания относятся недостаточность костного мозга, а также рак. Показано, что этот синдром возникает из-за мутаций в нескольких генах, включая дискерин, теломеразную РНК и обратную транскриптазу теломеразы. Синдром Прадера-Вилли – Этот синдром поражает до 1 из 12 000 человек и характеризуется крайним чувством голода, когнитивными и поведенческими проблемами, пониженным мышечным тонусом и низким ростом. Синдром связан с делецией участка отцовской хромосомы 15, который не экспрессируется на материнской хромосоме. Этот участок включает специфическую для мозга snRNA, которая нацелена на мРНК рецептора серотонина 2C. Медуллобластома – snRNA U1 мутирует в подгруппе этих опухолей головного мозга, что приводит к нарушению сплайсинга РНК. Мутации преимущественно встречаются во взрослых опухолях и связаны с неблагоприятным прогнозом.
Посттранскрипционная модификация
У эукариот snРНК содержат значительное количество модификаций 2'-O-метилирования и псевдоуридилирования. Эти модификации связаны с активностью snoРНК, которые канонически модифицируют пре-рРНК, но также наблюдаются при модификации других клеточных РНК-мишеней, таких как сами snРНК. Наконец, олигоаденилирование (добавление короткого поли(А)-хвоста) может определять судьбу snРНК (которые обычно не полиаденилированы) и, таким образом, индуцировать их деградацию РНК. Этот механизм, регулирующий количество snРНК, в свою очередь, связан с масштабными изменениями альтернативного сплайсинга РНК.