3'-Непереведенная область мРНК: регуляция экспрессии генов
Three prime untranslated region
3'-UTR мРНК: роль в регуляции экспрессии генов. Непереведенная область влияет на полиаденилирование, стабильность и трансляцию mRNA. Молекулярная биология.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Последовательность на 3'-конце мРНК, не кодирующая продукт.
Sequence at the 3' end of messenger RNA that does not code for product
В молекулярной генетике трехштриховая нетранслируемая область (3'-UTR) — это участок мРНК, который непосредственно следует за стоп-кодоном. 3'-UTR часто содержит регуляторные элементы, которые посттранскрипционно влияют на экспрессию генов. В процессе экспрессии гена молекула мРНК транскрибируется из последовательности ДНК и впоследствии транслируется в белок. Некоторые участки молекулы мРНК не транслируются в белок, включая 5'-кэп, 5'-нетранслируемую область, 3'-нетранслируемую область и поли(А)-хвост. Регуляторные элементы в 3'-UTR могут влиять на полиадениляцию, эффективность трансляции, локализацию и стабильность мРНК. 3'-UTR содержит сайты связывания как для регуляторных белков, так и для микроРНК (миРНК). Связываясь с определенными участками в 3'-UTR, миРНК могут снижать экспрессию генов различных мРНК, ингибируя трансляцию или вызывая деградацию транскрипта. 3'-UTR также содержит сайленсеры, которые связываются с репрессорными белками и ингибируют экспрессию мРНК. Многие 3'-UTR также содержат AU-богатые элементы (ARE). Белки связываются с ARE, влияя на стабильность или скорость деградации транскриптов локальным образом или влияя на инициацию трансляции. Кроме того, 3'-UTR содержит последовательность AAUAAA, которая направляет добавление нескольких сотен адениновых остатков, образующих поли(А)-хвост, к концу транскрипта мРНК. Поли(А)-связывающий белок (PABP) связывается с этим хвостом, участвуя в регуляции трансляции мРНК, ее стабильности и экспорте. Например, PABP, связанный с поли(А)-хвостом, взаимодействует с белками, ассоциированными с 5'-концом транскрипта, вызывая циркуляризацию мРНК, что способствует трансляции. 3'-UTR также может содержать последовательности, привлекающие белки для связывания мРНК с цитоскелетом, транспортировки ее в или из ядра клетки, или выполнения других типов локализации. Помимо последовательностей в 3'-UTR, физические характеристики этой области, включая ее длину и вторичную структуру, также способствуют регуляции трансляции. Эти разнообразные механизмы регуляции генов обеспечивают экспрессию нужных генов в нужных клетках в нужное время.
In molecular genetics, the three prime untranslated region (3′ UTR) is the section of messenger RNA (mRNA) that immediately follows the translation termination codon. The 3′ UTR often contains regulatory regions that post transcriptionally influence gene expression. During gene expression, an mRNA molecule is transcribed from the DNA sequence and is later translated into a protein. Several regions of the mRNA molecule are not translated into a protein including the 5' cap, 5' untranslated region, 3′ untranslated region and poly(A) tail. Regulatory regions within the 3′ untranslated region can influence polyadenylation, translation efficiency, localization, and stability of the mRNA. The 3′ UTR contains binding sites for both regulatory proteins and microRNAs (miRNAs). By binding to specific sites within the 3′ UTR, miRNAs can decrease gene expression of various mRNAs by either inhibiting translation or directly causing degradation of the transcript. The 3′ UTR also has silencer regions which bind to repressor proteins and will inhibit the expression of the mRNA. Many 3′ UTRs also contain AU rich elements (AREs). Proteins bind AREs to affect the stability or decay rate of transcripts in a localized manner or affect translation initiation. Furthermore, the 3′ UTR contains the sequence AAUAAA that directs addition of several hundred adenine residues called the poly(A) tail to the end of the mRNA transcript. Poly(A) binding protein (PABP) binds to this tail, contributing to regulation of mRNA translation, stability, and export. For example, poly(A) tail bound PABP interacts with proteins associated with the 5' end of the transcript, causing a circularization of the mRNA that promotes translation. The 3′ UTR can also contain sequences that attract proteins to associate the mRNA with the cytoskeleton, transport it to or from the cell nucleus, or perform other types of localization. In addition to sequences within the 3′ UTR, the physical characteristics of the region, including its length and secondary structure, contribute to translation regulation. These diverse mechanisms of gene regulation ensure that the correct genes are expressed in the correct cells at the appropriate times.
Физические характеристики
3'-УТР мРНК обладает широким спектром регуляторных функций, контролируемых физическими характеристиками этого региона. Одной из таких характеристик является длина 3'-УТР, которая значительно варьирует в геноме млекопитающих. Этот участок мРНК-транскрипта может составлять от 60 до примерно 4000 нуклеотидов. В среднем, длина 3'-УТР у человека составляет около 800 нуклеотидов, в то время как средняя длина 5'-УТР – всего около 200 нуклеотидов. Последовательности в 3'-УТР также способны вызывать деградацию или стабилизацию мРНК-транскрипта. Модификации, регулирующие стабильность транскрипта, позволяют быстро контролировать экспрессию гена, не изменяя скорость трансляции. Одной из групп элементов в 3'-УТР, способствующих дестабилизации мРНК-транскрипта, являются AU-обогащенные элементы (AREs). Эти элементы варьируются в размере от 50 до 150 пар оснований и обычно содержат несколько копий пентануклеотида AUUUA. Ранние исследования показали, что AREs могут различаться по последовательности и подразделяются на три основных класса, отличающихся количеством и расположением мотивов. У человека транскрипты обладают 3'-УТР, которые в среднем в два раза длиннее, чем у других млекопитающих. Эта тенденция отражает высокую сложность регуляции генов человека. Помимо длины, регуляторные функции выполняет и вторичная структура 3'-нетранслируемой области. Белковые факторы могут как способствовать, так и нарушать формирование региона в различные вторичные структуры. Наиболее распространенной структурой является шпилька, которая служит платформой для связывания РНК-связывающих белков и некодирующих РНК, влияющих на экспрессию транскрипта.
The 3′ UTR of mRNA has a great variety of regulatory functions that are controlled by the physical characteristics of the region. One such characteristic is the length of the 3′ UTR, which in the mammalian genome has considerable variation. This region of the mRNA transcript can range from 60 nucleotides to about 4000. On average the length for the 3′ UTR in humans is approximately 800 nucleotides, while the average length of 5' UTRs is only about 200 nucleotides. Sequences within the 3′ UTR also have the ability to degrade or stabilize the mRNA transcript. Modifications that control a transcript's stability allow expression of a gene to be rapidly controlled without altering translation rates. One group of elements in the 3′ UTR that can help destabilize an mRNA transcript are the AU rich elements (AREs). These elements range in size from 50 to 150 base pairs and generally contain multiple copies of the pentanucleotide AUUUA. Early studies indicated that AREs can vary in sequence and fall into three main classes that differ in the number and arrangement of motifs. Human transcripts possess 3′ UTRs that are on average twice as long as other mammalian 3′ UTRs. This trend reflects the high level of complexity involved in human gene regulation. In addition to length, the secondary structure of the 3′ untranslated region also has regulatory functions. Protein factors can either aid or disrupt folding of the region into various secondary structures. The most common structure is a stem loop, which provides a scaffold for RNA binding proteins and non coding RNAs that influence expression of the transcript.
Методы исследования
Ученые используют ряд методов для изучения сложных структур и функций 3'-УТР. Даже если установлено присутствие определенного 3'-УТР в мРНК в ткани, для понимания полной функциональности 3'-УТР необходимо определить влияние локализации, функционального периода полураспада, эффективности трансляции и транси-действующих элементов. Вычислительные подходы, главным образом посредством анализа последовательностей, выявили наличие ARE (ауторегуляторных элементов) примерно в 5-8% 3'-УТР человека и одну или несколько миРНК-мишеней в 60% и более 3'-УТР человека. Программное обеспечение способно быстро сравнивать миллионы последовательностей одновременно для выявления сходств между различными 3'-УТР в геноме. Экспериментальные подходы применялись для определения последовательностей, ассоциирующих с конкретными белками, связывающими РНК; в частности, недавние усовершенствования в методах секвенирования и кросс-линкинга позволили точно картировать сайты связывания белков внутри транскрипта. Индуцированные сайт-специфические мутации, например, влияющие на стоп-кодон, сигнал полиаденилирования или вторичную структуру 3'-УТР, могут продемонстрировать, как мутировавшие участки способны вызывать дерегуляцию трансляции и развитие заболеваний. Эти методы, охватывающие весь транскрипт, должны способствовать углублению нашего понимания известных цис-элементов и транси-регуляторных факторов в 3'-УТР.
Scientists use a number of methods to study the complex structures and functions of the 3′ UTR. Even if a given 3′ UTR in an mRNA is shown to be present in a tissue, the effects of localization, functional half life, translational efficiency, and trans acting elements must be determined to understand the 3′ UTR's full functionality. Computational approaches, primarily by sequence analysis, have shown the existence of AREs in approximately 5 to 8% of human 3′ UTRs and the presence of one or more miRNA targets in as many as 60% or more of human 3′ UTRs. Software can rapidly compare millions of sequences at once to find similarities between various 3′ UTRs within the genome. Experimental approaches have been used to define sequences that associate with specific RNA binding proteins; specifically, recent improvements in sequencing and cross linking techniques have enabled fine mapping of protein binding sites within the transcript. Induced site specific mutations, for example those that affect the termination codon, polyadenylation signal, or secondary structure of the 3′ UTR, can show how mutated regions can cause translation deregulation and disease. These types of transcript wide methods should help our understanding of known cis elements and trans regulatory factors within 3′ UTRs.
Болезнь
Мутации в 3′ UTR могут иметь серьезные последствия, поскольку одно изменение может приводить к нарушению экспрессии множества генов. На уровне транскрипции мутация может влиять только на аллель и гены, физически с ним связанные. Однако, поскольку белки, связывающиеся с 3′ UTR, также участвуют в процессинге и ядерном экспорте мРНК, мутация может оказывать влияние и на другие, не связанные гены. Увеличение числа тринуклеотидных (CTG) повторов в 3′ UTR гена дистрофической миотонической протеинкиназы (DMPK) вызывает миотоническую дистрофию. Ретротранспозиционная вставка тандемных повторов длиной 3 килобазы в 3′ UTR белка фукутина связана с врожденной мышечной дистрофией типа Фукуямы. Элементы в 3′ UTR также ассоциированы с острым миелоидным лейкозом человека, альфа-талассемией, нейробластомой, кератинопатией, аниридией, синдромом IPEX и врожденными пороками сердца. Небольшое число заболеваний, опосредованных UTR, лишь указывает на огромное количество связей, которые еще предстоит установить.
3′ UTR mutations can be very consequential because one alteration can be responsible for the altered expression of many genes. Transcriptionally, a mutation may affect only the allele and genes that are physically linked. However, since 3′ UTR binding proteins also function in the processing and nuclear export of mRNA, a mutation can also affect other unrelated genes. An expanded number of trinucleotide (CTG) repeats in the 3’ UTR of the dystrophia myotonica protein kinase (DMPK) gene causes myotonic dystrophy. Retro transposal 3 kilobase insertion of tandem repeat sequences within the 3′ UTR of fukutin protein is linked to Fukuyama type congenital muscular dystrophy. Elements in the 3′ UTR have also been linked to human acute myeloid leukemia, alpha thalassemia, neuroblastoma, Keratinopathy, Aniridia, IPEX syndrome, and congenital heart defects. The few UTR mediated diseases identified only hint at the countless links yet to be discovered.
Будущее развитие
Несмотря на современное понимание 3′ UTR, они по-прежнему остаются во многом загадкой. Поскольку мРНК обычно содержат несколько перекрывающихся регуляторных элементов, часто бывает сложно точно определить идентичность и функцию каждого 3′-UTR элемента, не говоря уже о регуляторных факторах, которые могут связываться на этих участках. Кроме того, каждый 3′ UTR содержит множество альтернативных AU-богатых элементов и сигналов полиаденилирования. Эти цис- и транс-действующие элементы, вместе с микроРНК, обеспечивают практически безграничный спектр возможностей регуляции в пределах одной мРНК. Дальнейшие исследования с более широким использованием глубокого секвенирования и профилирования рибосом позволят выявить больше регуляторных нюансов, а также новые регуляторные элементы и AUBP.
Despite current understanding of 3′ UTRs, they are still relative mysteries. Since mRNAs usually contain several overlapping control elements, it is often difficult to specify the identity and function of each 3′ UTR element, let alone the regulatory factors that may bind at these sites. Additionally, each 3′ UTR contains many alternative AU rich elements and polyadenylation signals. These cis and trans acting elements, along with miRNAs, offer a virtually limitless range of control possibilities within a single mRNA. Future research through the increased use of deep sequencing based ribosome profiling will reveal more regulatory subtleties as well as new control elements and AUBPs.