Семейство белков Argonaute играет центральную роль в процессах сайленсинга РНК, являясь важными компонентами комплекса РНК-индуцированного сайленсинга (RISC). RISC отвечает за феномен молчания генов, известный как РНК-интерференция (RNAi) . Белки Argonaute связывают различные классы малых некодирующих РНК , включая микроРНК (miRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA) и Piwi-взаимодействующие РНК (piRNA). Малые РНК направляют белки Argonaute к их конкретным мишеням за счет комплементарности последовательностей (спаривания оснований), что затем приводит к расщеплению мРНК или ингибированию трансляции .
Название этого семейства белков происходит от мутантного фенотипа, возникшего в результате мутации AGO1 в Arabidopsis thaliana , который был уподоблен Bohmert et al. к внешнему виду пелагического осьминога Argonauta argo . [1]
| Argonaute Piwi домен | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Белок аргонавта из Pyrococcus furiosus . PDB 1U04 . Домен PIWI справа, домен PAZ слева. | ||||||||
| Идентификаторы | ||||||||
| Символ | Пиви | |||||||
| Pfam | PF02171 | |||||||
| ИнтерПро | IPR003165 | |||||||
| PROSITE | PS50822 | |||||||
| CDD | cd02826 | |||||||
| ||||||||
| Домен Аргонауте-Пас | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Идентификаторы | ||||||||
| Символ | Пас | |||||||
| Pfam | PF12212 | |||||||
| ИнтерПро | IPR021103 | |||||||
| SCOP2 | b.34.14.1 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
| ||||||||
РНК-интерференция [ править ]
РНК-интерференция (РНКи) - это биологический процесс, в котором молекулы РНК подавляют экспрессию генов . Метод ингибирования заключается в разрушении определенных молекул мРНК или простом подавлении трансляции белка. [2] РНК-интерференция играет важную роль в защите клеток от паразитарных нуклеотидных последовательностей. У многих эукариот, включая животных, обнаружен путь РНК-интерференции, который инициируется ферментом Dicer . Дайсер расщепляет длинную двухцепочечную РНК (дцРНК, часто обнаруживаемую у вирусов и малую интерферирующую РНК) в короткие двухцепочечные фрагменты длиной около 20 нуклеотидных миРНК. Затем дцРНК разделяется на две одноцепочечные РНК (оцРНК) - цепь-пассажира и направляющую цепь. Впоследствии цепь-пассажир разрушается, а направляющая цепь включается в РНК-индуцированный комплекс сайленсинга (RISC). Наиболее хорошо изученным результатом РНКи является посттранскрипционное молчание генов, которое происходит, когда направляющая цепь соединяется с комплементарной последовательностью в молекуле информационной РНК и индуцирует расщепление аргонавтом, которое лежит в основе комплекса РНК-индуцированного молчания.
Белки-аргонавты являются активной частью РНК-индуцированного комплекса сайленсинга, расщепляя цепь мРНК-мишени, комплементарную связанной с ними миРНК. [3] Теоретически дисер производит короткие двухцепочечные фрагменты, поэтому должны быть также продуцированы две функциональные одноцепочечные миРНК. Но только одна из двух одноцепочечных РНК здесь будет использоваться для образования пары с целевой мРНК . Он известен как направляющая цепь, включается в белок Argonaute и приводит к подавлению генов. Другая одноцепочечная названная цепь-пассажир разрушается во время индуцированного РНК процесса комплекса молчания. [4]
Как только Argonaute ассоциируется с малой РНК, ферментативная активность, обеспечиваемая доменом PIWI, расщепляет только цепь-пассажира малой интерферирующей РНК. Разделение цепи РНК и включение в белок Argonaute определяется силой взаимодействия водородных связей на 5'-концах дуплекса РНК, известного как правило асимметрии. Также степень комплементарности между двумя цепями промежуточного дуплекса РНК определяет, как miRNA сортируются в различные типы белков Argonaute.
У животных Argonaute, связанный с miRNA, связывается с 3'-нетранслируемой областью мРНК и предотвращает продукцию белков различными способами. Привлечение белков Argonaute к целевой мРНК может вызвать деградацию мРНК. Комплекс Argonaute-miRNA также может влиять на формирование функциональных рибосом на 5'-конце мРНК. Комплекс здесь конкурирует с факторами инициации трансляции и / или нарушает сборку рибосом . Кроме того, комплекс Argonaute-miRNA может регулировать продукцию белка путем привлечения клеточных факторов, таких как пептиды или посттрансляционные модифицирующие ферменты, которые ухудшают рост полипептидов. [5]
У растений, как только de novo двухцепочечные (ds) дуплексы РНК образуются с целевой мРНК, неизвестный фермент, подобный РНКазе-III, производит новые миРНК, которые затем загружаются в белки Argonaute, содержащие домены PIWI, в которых отсутствует каталитическая аминокислота. остатков, которые могут индуцировать другой уровень молчания специфических генов.
Функциональные области и механизм [ править ]
Семейство генов Argonaute (AGO) кодирует шесть характерных доменов: N-концевой (N), Linker-1 (L1), PAZ, Linker-2 (L2), Mid и C-концевой домен PIWI . [5]
Имя для домена PAZ представляет собой аббревиатуру, образованную из названий генов Drosophila piwi, Arabidopsis argonaute-1 и Arabidopsis zwille (также известного как пойнхед, позже переименованного в argonaute-10), где домен был впервые признан консервативным. Домен PAZ представляет собой модуль связывания РНК, который распознает одноцепочечные 3'-концы миРНК , миРНК и пиРНК независимым от последовательности образом.
Белок PIWI дрозофилы дал название этому характерному мотиву. По структуре напоминающий РНКазу H, домен PIWI важен для целевого расщепления. Активный центр с триадой аспартат-аспартат-глутамат содержит ион двухвалентного металла, необходимый для катализа. Члены семейства AGO, которые потеряли эту консервативную особенность во время эволюции, будут лишены активности расщепления. В AGO человека мотив PIWI также опосредует межбелковое взаимодействие в блоке PIWI, где он связывается с Dicer в одном из доменов РНКазы III. [6]
На границе между доменами PIWI и Mid находится 5'-фосфат siRNA, miRNA или piRNA, который играет важную роль в функциональности. Внутри Mid находится мотив MC, структура гомолога, которая, как предполагается, имитирует мотив структуры связывания кэпа, обнаруженный в eIF4E. Позже было обнаружено, что мотив MC не участвует в связывании кэпа мРНК [5]
Член семьи [ править ]
У человека восемь членов семьи АГО, некоторые из которых интенсивно исследуются. Однако, несмотря на то, что AGO1-4 способны загружать miRNA, эндонуклеазная активность и, следовательно, RNAi-зависимое молчание генов принадлежит исключительно AGO2. Принимая во внимание консервативность последовательностей доменов PAZ и PIWI во всем семействе, предполагается, что уникальность AGO2 возникает либо из-за N-конца, либо из области спейсинга, связывающей мотивы PAZ и PIWI. [6]
Несколько семейств AGO в растениях также требуют огромных усилий для изучения. AGO1 явно участвует в деградации РНК, связанной с miRNA, и играет центральную роль в морфогенезе. У некоторых организмов это строго необходимо для эпигенетического молчания. Он регулируется самой miRNA. AGO4 не участвует в РНК-направленной деградации РНК, но участвует в метилировании ДНК и другой эпигенетической регуляции посредством пути малых РНК (smRNA). AGO10 участвует в развитии растений. AGO7 имеет функцию, отличную от AGO 1 и 10, и не обнаруживается в подавлении генов, вызванном трансгенами. Напротив, это связано со сроками развития растений. [7]
Болезни и терапевтические инструменты [ править ]
Для заболеваний, которые связаны с селективной или повышенной экспрессией определенных идентифицированных генов, таких как рак поджелудочной железы, высокая специфичность последовательности РНК-интерференции может сделать его подходящим лечением, особенно подходящим для борьбы с раком, связанным с мутировавшими эндогеннымигенные последовательности. Сообщалось, что несколько крошечных некодирующих РНК (микроРНК) связаны с раком человека, например, miR-15a и miR-16a часто удаляются и / или подавляются у пациентов. Несмотря на то, что биологические функции miRNAs полностью не изучены, роль miRNAs в координации пролиферации и гибели клеток во время развития и метаболизма была раскрыта. Считается, что miRNA могут направлять отрицательную или положительную регуляцию на разных уровнях, что зависит от конкретных miRNA и взаимодействия пары оснований-мишеней и кофакторов, которые их распознают. [8]
Поскольку широко известно, что многие вирусы имеют в качестве генетического материала РНК, а не ДНК и проходят по крайней мере одну стадию своего жизненного цикла, когда они образуют двухцепочечную РНК, вмешательство РНК считается потенциально эволюционно древним механизмом для защита организмов от вирусов. Малые интерферирующие РНК, продуцируемые Dicer, вызывают специфичное для последовательности пост-транскрипционное подавление гена, управляя эндонуклеазой, комплексом индуцированного РНК молчания(RISC) в мРНК. Этот процесс наблюдается у широкого круга организмов, таких как гриб Neurospora (у которого он известен как подавление), растения (посттранскрипционное молчание генов) и клетки млекопитающих (РНКи). Если существует полная или почти полная комплементарность последовательности между малой РНК и мишенью, компонент белка Argonaute RISC опосредует расщепление транскрипта-мишени, механизм включает преимущественно репрессию трансляции.
Важно отметить, что мыши, инфицированные гриппом с дефицитом Argonaute 4 (AGO4), имеют значительно более высокую нагрузку и вирусные титры in vivo [9], в отличие от мышей с дефицитом AGO1 или AGO3. [10] Таким образом, специфическое стимулирование функции AGO4 в клетках млекопитающих может быть эффективной противовирусной стратегией.
Биотехнологические применения прокариотических белков Argonaute [ править ]
В 2016 году группа из Университета науки и технологий Хэбэя сообщила о редактировании генома с использованием прокариотического белка Argonaute из Natronobacterium gregoryi . Однако доказательства применения белков Argonaute в качестве ДНК-управляемых нуклеаз для редактирования генома были поставлены под сомнение, после чего ведущий журнал отказался от утверждения. [11] В 2017 году группа из Университета Иллинойса сообщила об использовании прокариотического белка Argonaute, взятого из Pyrococcus furiosus (PfAgo), вместе с направляющей ДНК для редактирования ДНК in vitro в качестве искусственных рестрикционных ферментов . [12] Искусственные рестрикционные ферменты на основе PfAgo также использовались для хранения данных о нативных последовательностях ДНК посредством ферментативного разрезания.[13]
Ссылки [ править ]
- ^ Bohmert K, Камю I, Беллини C, D Буше, Caboche M, C Беннинг (январь 1998). «AGO1 определяет новый локус Arabidopsis, контролирующий развитие листьев» . Журнал EMBO . 17 (1): 170–180. DOI : 10.1093 / emboj / 17.1.170 . PMC 1170368 . PMID 9427751 .
- ^ Го H, Ingolia NT, Вайсман JS, Бартель DP (август 2010). «МикроРНК млекопитающих преимущественно снижают уровни целевой мРНК» . Природа . 466 (7308): 835–840. Bibcode : 2010Natur.466..835G . DOI : 10,1038 / природа09267 . PMC 2990499 . PMID 20703300 .
- ^ Kupferschmidt K (август 2013). «Смертельная доза РНК». Наука . 341 (6147): 732–733. Bibcode : 2013Sci ... 341..732K . DOI : 10.1126 / science.341.6147.732 . PMID 23950525 .
- ^ Грегори Р.И., Chendrimada Т.П., Кучи N, Shiekhattar R (ноябрь 2005 г.). «Человеческий RISC сочетает биогенез микроРНК и посттранскрипционное молчание генов». Cell . 123 (4): 631–640. DOI : 10.1016 / j.cell.2005.10.022 . PMID 16271387 .
- ^ a b c Hutvagner G, Simard MJ (январь 2008 г.). «Белки Argonaute: ключевые игроки в подавлении РНК». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 9 (1): 22–32. DOI : 10.1038 / nrm2321 . hdl : 10453/15429 . PMID 18073770 .
- ^ a b Meister G, Landthaler M, Patkaniowska A, Dorsett Y, Teng G, Tuschl T (июль 2004 г.). «Человеческий Argonaute2 опосредует расщепление РНК, нацеленное на миРНК и миРНК». Молекулярная клетка . 15 (2): 185–197. DOI : 10.1016 / j.molcel.2004.07.007 . PMID 15260970 .
- ^ Meins Р, Si-Ammour А, Блевинс Т (2005). «Системы сайленсинга РНК и их значение для развития растений». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 21 (1): 297–318. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.21.122303.114706 . PMID 16212497 .
- ^ Ханнон GJ (июль 2002). «РНК-интерференция» . Природа . 418 (6894): 244–251. Bibcode : 2002Natur.418..244H . DOI : 10.1038 / 418244a . PMID 12110901 .
- ^ Adiliaghdam Ф., Basavappa, М., Saunders, TL, Harjanto Д., Prior, JT, Кронкит Д.А., ... и Джеффри, KL (2020). Требование к Argonaute 4 в противовирусной защите млекопитающих. Сотовые отчеты, 30 (6), 1690-1701. DOI : 10.1016 / j.celrep.2020.01.021 PMC 7039342 PMID 32049003
- ^ Ван Стрый, М., Oguin, TH, Cheloufi, S., Vogel, P., Ватанабе, М., Пиллаи, MR, ... & Бикс, M. (2012). Повышенная восприимчивость двойных нулевых мышей Ago1 / 3 к инфекции вируса гриппа А. Журнал вирусологии, 86 (8), 4151-4157. DOI : 10,1128 / JVI.05303-11 PMC 3318639 PMID 22318144
- ^ Cyranoski D (2017). «Авторы втягивание спорного исследования гена-редактирование NgAgo». Природа . DOI : 10.1038 / nature.2017.22412 .
- ^ Enghiad B, Чжао H (май 2017). «Программируемые ДНК-управляемые искусственные рестрикционные ферменты». Синтетическая биология ACS . 6 (5): 752–757. DOI : 10.1021 / acssynbio.6b00324 . PMID 28165224 . S2CID 3833124 .
- ^ Табатабаи, С. Касра; Ванга, Бойя; Атрейя, Нагендра Бала Мурали; Энгиад, Бехнам; Эрнандес, Альваро Гонсало; Филдс, Кристофер Дж .; Лебертон, Жан-Пьер; Соловейчик, Давид; Чжао, Хуйминь; Миленкович, Ольгица (8 апреля 2020 г.). «Перфокарты ДНК для хранения данных о нативных последовательностях ДНК с помощью ферментативного надрезания» . Nature Communications . 11 (1): 1–10. DOI : 10.1038 / s41467-020-15588-Z . PMC 7142088 . PMID 32269230 .
Внешние ссылки [ править ]
- База данных starBase : база данных для изучения карт взаимодействия микроРНК-мРНК из данных Argonaute CLIP-Seq ( HITS-CLIP , PAR-CLIP ) и данных Degradome-Seq.
