Введение

Класс рибонуклеиновой кислоты, не транслируемой в белки.

Некодирующая РНК (нкРНК) – это функциональная молекула РНК, которая не транслируется в белок. Последовательность ДНК, из которой транскрибируется функциональная некодирующая РНК, часто называется геном РНК. К числу распространенных и функционально важных типов некодирующих РНК относятся транспортные РНК (тРНК) и рибосомные РНК (рРНК), а также малые РНК, такие как микроРНК, siРНК, piРНК, snoРНК, snРНК, exРНК, scaРНК и длинные нкРНК, такие как Xist и HOTAIR. Количество некодирующих РНК в геноме человека неизвестно; однако недавние транскриптомические и биоинформатические исследования указывают на существование тысяч некодирующих транскриптов. Многие из недавно идентифицированных нкРНК не были валидированы в отношении их функции. В научной литературе нет единого мнения относительно того, какая доля некодирующей транскрипции является функциональной. Некоторые исследователи утверждают, что многие нкРНК нефункциональны (иногда называемые "мусорной РНК") и являются случайными транскриптами. Другие с этим не согласны, полагая, что многие некодирующие транскрипты действительно обладают функциями, которые продолжают и будут продолжать открываться.

История и открытие

Нуклеиновые кислоты были впервые обнаружены в 1868 году Фридрихом Мишером, а к 1939 году РНК была вовлечена в синтез белка. Два десятилетия спустя Фрэнсис Крик предсказал функциональный компонент РНК, который опосредует трансляцию; он предположил, что РНК лучше подходит для образования комплементарных пар оснований с мРНК-транскриптом, чем чистый полипептид. Первой охарактеризованной некодирующей РНК была аланиновая тРНК, обнаруженная в пекарских дрожжах, ее структура была опубликована в 1965 году. Для получения 1 г очищенной tRNAAla для анализа Роберт В. Холли и соавторы использовали 140 кг коммерческих пекарских дрожжей. 80-нуклеотидную тРНК секвенировали, сначала расщепив ее панкреатической рибонуклеазой (с образованием фрагментов, заканчивающихся цитозином или уридином), а затем такадиастазной рибонуклеазой Tl (с образованием фрагментов, заканчивающихся гуанозином). Хроматография и идентификация 5'- и 3'-концов позволили упорядочить фрагменты и установить последовательность РНК. Вторичная структура в виде клеверного листа была окончательно установлена после рентгенокристаллографического анализа, проведенного двумя независимыми исследовательскими группами в 1974 году. Далее была открыта рибосомная РНК, за которой в начале 1980-х годов последовала uРНК. С тех пор продолжается открытие новых некодирующих РНК, таких как snoРНК, Xist, CRISPR и многих других. Недавними заметными дополнениями стали рибопереключатели и миРНК; открытие механизма РНКи, связанного с последней, принесло Крейгу С. Мелло и Эндрю Файру Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине. Недавние открытия нкРНК были достигнуты как с помощью экспериментальных, так и биоинформатических методов.

Биологические роли

Некодирующие РНК принадлежат к нескольким группам и участвуют во многих клеточных процессах. Эти процессы варьируются от центральных для жизни нкРНК, консервативных у всех или большинства клеточных организмов, до более преходящих нкРНК, специфичных для одного или нескольких близкородственных видов. Считается, что наиболее консервативные нкРНК являются молекулярными окаменелостями или реликтами последнего универсального общего предка и эпохи РНК, и их современные функции в основном связаны с регуляцией потока информации от ДНК к белку.

В переводе

Многие из консервированных, существенных и распространенных некодирующих РНК (нкРНК) участвуют в трансляции. Частицы рибонуклеопротеина (РНП), называемые рибосомами, являются «фабриками», где происходит трансляция в клетке. Рибосома состоит более чем из 60% рибосомной РНК; она состоит из 3 нкРНК у прокариот и 4 нкРНК у эукариот. Рибосомная РНК катализирует трансляцию нуклеотидных последовательностей в белки. Другой набор нкРНК, транспортные РНК (тРНК), формируют «адапторную молекулу» между мРНК и белком. snoРНК с H/ACA-боксом и C/D-боксом обнаружены у архей и эукариот. RNase MRP встречается только у эукариот. Обе группы нкРНК участвуют в созревании рРНК. snoРНК направляют ковалентные модификации рРНК, тРНК и сРНК; RNase MRP расщепляет внутренний транскрибированный спейсер 1 между 18S и 5.8S рРНК. Повсеместно распространенная нкРНК RNase P является эволюционным родственником RNase MRP. RNase P обеспечивает созревание последовательностей тРНК, формируя зрелые 5'-концы тРНК путем расщепления 5'-лидерных элементов предшественников тРНК. Другой повсеместный РНП, называемый SRP, распознает и транспортирует специфические новосинтезируемые белки к эндоплазматической сети у эукариот и к плазматической мембране у прокариот. У бактерий передающая мРНК (tmРНК) является РНП, участвующим в освобождении застрявших рибосом, маркировке неполных полипептидов и стимулировании деградации аберрантной мРНК.

В сплайсинге РНК

У эукариот сплайсосома выполняет реакции сплайсинга, необходимые для удаления интронных последовательностей, и этот процесс требуется для формирования зрелой мРНК. Сплайсосома – это еще один РНП, часто известный как snРНП или три-snРНП. Существуют две различные формы сплайсосомы: основная и минорная. ncРНК-компоненты основной сплайсосомы – U1, U2, U4, U5 и U6. ncРНК-компоненты минорной сплайсосомы – U11, U12, U5, U4atac и U6atac. Другая группа интронов способна катализировать собственное удаление из матричных транскриптов; они называются самосплайсирующимися РНК. Существует две основные группы самосплайсирующихся РНК: каталитический интрон I группы и каталитический интрон II группы. Эти ncРНК катализируют собственное вырезание из прекурсоров мРНК, тРНК и рРНК у широкого спектра организмов. У млекопитающих было обнаружено, что snoРНК также могут регулировать альтернативный сплайсинг мРНК, например, snoРНК HBII 52 регулирует сплайсинг серотонинового рецептора 2C. У нематод ncРНК SmY, по-видимому, участвует в транссплайсинге мРНК.

В репликации ДНК

Y РНК представляют собой шпильки, необходимые для репликации ДНК благодаря взаимодействию с хроматином и белками инициации (включая комплекс распознавания начала репликации). Они также являются компонентами рибонуклеопротеиновой частицы Ro60, которая служит мишенью для аутоиммунных антител у пациентов с системной красной волчанкой.

В регуляции генов

Экспрессия многих тысяч генов регулируется некодирующими РНК (ncRNAs). Эта регуляция может происходить в транс или в цис. Накапливается все больше данных о том, что особый тип некодирующих РНК, называемый РНК-усилителями, транскрибируемый из усиливающей области гена, способствует увеличению экспрессии генов.

Кис-действующий

Ряд некодирующих РНК (ncРНК) встроены в 5' UTR (нетранслируемые области) генов, кодирующих белки, и влияют на их экспрессию различными способами. Например, рибосвитч может напрямую связываться с небольшой целевой молекулой; связывание целевой молекулы влияет на активность гена. Лидерные последовательности РНК обнаруживаются выше по течению от первого гена аминокислотных биосинтетических оперонов. Эти РНК-элементы формируют одну из двух возможных структур в областях, кодирующих очень короткие пептидные последовательности, богатые конечным продуктом – аминокислотой оперона. Терминаторная структура формируется при избытке регуляторной аминокислоты, и движение рибосомы по лидерному транскрипту не задерживается. При дефиците заряженной тРНК регуляторной аминокислоты рибосома, транслирующая лидерный пептид, останавливается, и формируется антитерминаторная структура. Это позволяет РНК-полимеразе транскрибировать оперон. Известные лидерные последовательности РНК включают лидер оперона гистидина, лидер оперона лейцина, лидер оперона треонина и лидер оперона триптофана. Элементы ответа на железо (IRE) связываются с белками ответа на железо (IRP). IRE находятся в UTR различных мРНК, продукты которых участвуют в метаболизме железа. При низкой концентрации железа IRP связываются с IRE в мРНК ферритина, что приводит к подавлению трансляции. Внутренние сайты инициации трансляции (IRES) – это структуры РНК, которые позволяют инициировать трансляцию в середине последовательности мРНК как часть процесса синтеза белка.

Структура хромосом

Теломераза – это РНФ-фермент, который добавляет специфические повторы последовательностей ДНК ("TTAGGG" у позвоночных) в теломерные области, расположенные на концах эукариотических хромосом. Теломеры содержат конденсированный ДНК-материал, обеспечивающий стабильность хромосом. Этот фермент является обратной транскриптазой, несущей теломеразную РНК, которая используется в качестве матрицы при удлинении теломер, укорачивающихся после каждого цикла репликации. Xist (X-неактивный специфический транскрипт) – это длинный ген некодирующей РНК на Х-хромосоме плацентарных млекопитающих, выступающий в качестве основного эффектора процесса инактивации Х-хромосомы, приводящего к образованию телец Барра. Антисмысловая РНК Tsix является отрицательным регулятором Xist. Х-хромосомы, не экспрессирующие Tsix (и, следовательно, демонстрирующие высокие уровни транскрипции Xist), инактивируются чаще, чем нормальные хромосомы. У дрозофилид, также использующих систему определения пола XY, РНК roX (РНК на Х-хромосоме) участвуют в компенсации дозы. Как Xist, так и roX действуют посредством эпигенетической регуляции транскрипции путем рекрутирования ферментов, модифицирующих гистоны.

Бифункциональная РНК

Бифункциональные РНК, или РНК с двойной функцией, – это РНК, обладающие двумя различными функциями. Большинство известных бифункциональных РНК представляют собой мРНК, кодирующие как белок, так и некодирующие РНК. Однако, всё большее число некодирующих РНК относится к двум различным категориям некодирующих РНК, например, H/ACA-бокс snoRNA и miRNA. Два хорошо известных примера бифункциональных РНК – это РНК SgrS и РНКIII. Однако известно о существовании ещё нескольких других бифункциональных РНК (например, активатор стероидных рецепторов/SRA, VegT РНК, Oskar РНК, ENOD40, p53 РНК SR1 и РНК Spot 42). Бифункциональные РНК были темой специального выпуска журнала "Biochimie" в 2011 году.

Как гормон

Существует важная связь между определенными некодирующими РНК и контролем гормонально-зависимых путей. У дрозофилы гормоны, такие как экдизон и ювенильный гормон, могут стимулировать экспрессию определенных микроРНК. Более того, эта регуляция происходит в различные моменты времени в ходе развития Caenorhabditis elegans. У млекопитающих miR-206 является ключевым регулятором альфа-эстрогенового рецептора. Некодирующие РНК играют решающую роль в развитии нескольких эндокринных органов, а также в развитии эндокринных заболеваний, таких как сахарный диабет. В частности, в клеточной линии MCF-7 добавление 17β-эстрадиола привело к увеличению глобальной транскрипции некодирующих РНК, называемых lncRNAs, рядом с кодирующими генами, активируемыми эстрогеном.

В патогенной профилактике

Было показано, что C. elegans обучается и наследует способность избегать патогенов после воздействия одной некодирующей РНК бактериального патогена.

Роль в болезни

Как и в случае с белками, мутации или нарушение баланса в наборе некодирующих РНК в организме могут приводить к различным заболеваниям.

Рак

Многие некодирующие РНК демонстрируют аномальные паттерны экспрессии в раковых тканях. GAS5, SNORD50, теломеразная РНК и Y РНК. МикроРНК участвуют в масштабной регуляции многих генов, кодирующих белки, а Y РНК важны для инициации репликации ДНК.

Было предположено, что редкий SNP (rs11614913), перекрывающийся с hsa-miR-196a-2, ассоциирован с немелкоклеточным раком легкого. Аналогично, скрининг 17 микроРНК, предсказанных регулировать ряд генов, связанных с раком молочной железы, выявил вариации в микроРНК miR-17 и miR-30c-1 у пациентов, не являющихся носителями мутаций BRCA1 или BRCA2, что позволяет предположить, что семейный рак молочной железы может быть вызван вариациями в этих микроРНК. Туморосупрессор p53, вероятно, является наиболее важным фактором в предотвращении формирования и прогрессирования опухолей. Белок p53 функционирует как фактор транскрипции, играющий ключевую роль в организации клеточного стресс-ответа. Помимо своей важной роли в раке, p53 был вовлечен в другие заболевания, включая диабет, гибель клеток после ишемии и различные нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Хантингтона, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Исследования показали, что экспрессия p53 подвержена регуляции некодирующими РНК в гепатоцеллюлярной карциноме, раке желудка или раке молочной железы, тем самым способствуя остеогенезу, прогрессированию гепатоцеллюлярной карциномы, пролиферации и метастазированию или косвенно регулируя экспрессию белков, участвующих в агрессивности рака, соответственно.

Синдром Прадера-Вилли

Удаление 48 копий C/D snoRNA SNORD116 установлено как основная причина синдрома Прадера-Уилли. Синдром Прадера-Уилли – это нарушение развития, связанное с перееданием и трудностями в обучении. SNORD116 имеет потенциальные сайты-мишени в ряде генов, кодирующих белки, и может участвовать в регуляции альтернативного сплайсинга.

Аутизм

Хромосомный локус, содержащий кластер генов малых нуклеолярных РНК SNORD115, дуплицирован примерно у 5% людей с аутистическими чертами. Мышиная модель, сконструированная с дупликацией кластера SNORD115, проявляет поведение, подобное аутистическому. Недавнее небольшое исследование посмертной ткани мозга показало изменения в экспрессии длинных некодирующих РНК в префронтальной коре и мозжечке мозга людей с аутизмом по сравнению с контрольной группой.

Гипоплазия хрящевых волос

Было показано, что мутации в RNase MRP вызывают гипоплазию хрящево-волосяного аппарата, заболевание, связанное с широким спектром симптомов, таких как низкий рост, разреженные волосы, аномалии скелета и угнетенная иммунная система, часто встречающаяся среди амишей и финнов. Наиболее хорошо изученный вариант – переход от A к G в нуклеотиде 70, расположенном в петлевой области на двух нуклеотидах 5' от консервативного псевдоузла. Однако многие другие мутации в RNase MRP также являются причиной гипоплазии хрящево-волосяного аппарата.

Болезнь Альцгеймера

Антисмысленная РНК BACE1 AS транскрибируется с комплементарной цепи к BACE1 и её уровень повышается у пациентов с болезнью Альцгеймера. BACE1 AS регулирует экспрессию BACE1, увеличивая стабильность мРНК BACE1 и генерируя дополнительный BACE1 посредством посттранскрипционного механизма положительной обратной связи. Таким же образом она также повышает концентрацию бета-амилоида, основного компонента амилоидных бляшек. Концентрация BACE1 AS повышена у пациентов с болезнью Альцгеймера и у трансгенных мышей, экспрессирующих амилоидный предшественник белка.

miR-96 и потери слуха

Изменения в области-затравке зрелого miR-96 ассоциированы с аутосомно-доминантной прогрессирующей потерей слуха у людей и мышей. Гомозиготные мутантные мыши были глубоко глухими, не проявляя кохлеарных ответов. Гетерозиготные мыши и люди постепенно теряют способность к слуху.

Митохондриальные трансферные РНК

Ряд мутаций в митохондриальных тРНК ассоциирован с такими заболеваниями, как синдром MELAS, синдром MERRF и хроническая прогрессирующая внешняя офтальмоплегия.

Различие между функциональной РНК (fРНК) и нРНК

Ученые начали различать функциональную РНК (fРНК) от некодирующей РНК (нкРНК), чтобы описать области, функциональные на уровне РНК, которые могут быть как самостоятельными РНК-транскриптами, так и нет. Это подразумевает, что fРНК (например, рибосвитчи, элементы SECIS и другие цис-регуляторные области) не является нкРНК. Однако fРНК может также включать мРНК, поскольку это РНК, кодирующая белок, и, следовательно, функциональна. Кроме того, искусственно эволюционировавшие РНК также подпадают под общий термин fРНК. Это устраняет двусмысленность при упоминании гена, "кодирующего некодирующую" РНК. Помимо этого, в опубликованной литературе и базах данных может содержаться ряд нкРНК, которые были ошибочно аннотированы.