Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пре-мРНК - это первая форма РНК, созданная путем транскрипции при синтезе белка. Пре-мРНК не имеет структур, необходимых для информационной РНК (мРНК). Сначала необходимо удалить все интроны из транскрибируемой РНК с помощью процесса, известного как сплайсинг. Перед тем, как РНК будет готова к экспорту, к 3-дюймовому концу РНК добавляется хвост Poly (A), а к 5-дюймовому концу - 5-дюймовая крышка.
Микрофотография транскрипции гена рибосомной РНК, иллюстрирующая растущие первичные транскрипты

Первичный транскрипт является одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты ( РНК ) Продукт синтезируют путем транскрипции с ДНК , и обрабатывают с получением различных зрелых РНК продуктов , таких как мРНК , тРНК и рРНК . Первичные транскрипты, обозначенные как мРНК, модифицируются при подготовке к трансляции . Например, мРНК-предшественник ( пре-мРНК ) представляет собой тип первичного транскрипта, который после обработки становится информационной РНК (мРНК) .

Пре-мРНК синтезируется из матрицы ДНК в ядре клетки путем транскрипции . Пре-мРНК составляет большую часть гетерогенной ядерной РНК ( гяРНК ). После того, как пре-мРНК была полностью обработана , ее называют « зрелой информационной РНК » или просто « информационной РНК ». Термин hnRNA часто используется как синоним пре-мРНК, хотя в строгом смысле hnRNA может включать транскрипты ядерной РНК, которые не превращаются в цитоплазматическую мРНК.

Есть несколько шагов, которые способствуют производству первичных транскриптов. Все эти шаги включают в себя серию взаимодействий , чтобы начать и завершить транскрипцию ДНК в ядре из эукариот . Определенные факторы играют ключевую роль в активации и ингибировании транскрипции, где они регулируют производство первичных транскриптов. Транскрипция производит первичные транскрипты, которые далее модифицируются несколькими процессами. Эти процессы включают 5'-кэп , 3'-полиаденилирование и альтернативный сплайсинг.. В частности, альтернативный сплайсинг напрямую способствует разнообразию мРНК, обнаруживаемой в клетках. Модификации первичных транскриптов были дополнительно изучены в исследованиях, направленных на получение более глубоких знаний о роли и значении этих транскриптов. Экспериментальные исследования, основанные на молекулярных изменениях первичных транскриптов и процессов до и после транскрипции, привели к лучшему пониманию заболеваний, связанных с первичными транскриптами.

Производство [ править ]

Основная статья: Транскрипция (генетика)

Шаги, способствующие производству первичных транскриптов, включают серию молекулярных взаимодействий, которые инициируют транскрипцию ДНК в ядре клетки. В зависимости от потребностей данной клетки определенные последовательности ДНК транскрибируются для получения различных продуктов РНК, которые транслируются в функциональные белки для использования в клетке. Чтобы инициировать процесс транскрипции в ядре клетки, двойные спирали ДНК разматываются, и водородные связи, соединяющие совместимые нуклеиновые кислоты ДНК, разрываются с образованием двух несвязанных одиночных цепей ДНК. [1] Одна цепь ДНК-матрицы используется для транскрипции одноцепочечной мРНК первичного транскрипта. Эта цепь ДНК связана с РНК-полимеразой в промоторной области ДНК.[2]

Транскрипция ДНК с помощью РНК-полимеразы для получения первичного транскрипта

У эукариот три вида РНК - рРНК , тРНК и мРНК - продуцируются на основе активности трех различных РНК-полимераз, тогда как у прокариот существует только одна РНК-полимераза для создания всех видов молекул РНК. [3] РНК-полимераза II эукариот транскрибирует первичный транскрипт, транскрипт, предназначенный для обработки в мРНК, из антисмысловой ДНК-матрицы в направлении от 5 'к 3', и этот вновь синтезированный первичный транскрипт комплементарен антисмысловой цепи ДНК. . [1] РНК-полимераза II конструирует первичный транскрипт с использованием набора из четырех специфических рибонуклеозидмонофосфатных остатков ( аденозинмонофосфат(AMP), цитидинмонофосфат (CMP), гуанозинмонофосфат (GMP) и уридинмонофосфат (UMP)), которые непрерывно добавляются к 3'-гидроксильной группе на 3'-конце растущей мРНК. [1]

Исследования первичных транскриптов, продуцируемых РНК-полимеразой II, показывают, что в среднем первичный транскрипт составляет 7000 нуклеотидов в длину, а некоторые растут до 20 000 нуклеотидов в длину. [2] Включение последовательностей экзонов и интронов в первичные транскрипты объясняет разницу в размерах между более крупными первичными транскриптами и более мелкой зрелой мРНК, готовой к трансляции в белок.

Регламент [ править ]

Ряд факторов способствует активации и ингибированию транскрипции и, следовательно, регулирует производство первичных транскриптов из данной матрицы ДНК.

Активация активности РНК-полимеразы для производства первичных транскриптов часто контролируется последовательностями ДНК, называемыми энхансерами . Факторы транскрипции , белки, которые связываются с элементами ДНК для активации или подавления транскрипции, связываются с энхансерами и привлекают ферменты, которые изменяют компоненты нуклеосом , в результате чего ДНК становится более или менее доступной для РНК-полимеразы. Уникальные комбинации активирующих или ингибирующих факторов транскрипции, которые связываются с участками энхансерной ДНК, определяют, активируется ли ген, с которым взаимодействует энхансер, для транскрипции или нет. [4]Активация транскрипции зависит от того, может ли комплекс элонгации транскрипции, состоящий из множества факторов транскрипции, индуцировать диссоциацию РНК-полимеразы от комплекса медиатора, который соединяет область энхансера с промотором. [4]

Роль факторов транскрипции и энхансеров в регуляции экспрессии генов

Ингибирование активности РНК-полимеразы также может регулироваться последовательностями ДНК, называемыми сайленсерами . Подобно энхансерам, сайленсеры могут располагаться дальше вверх или вниз по течению от генов, которые они регулируют. Эти последовательности ДНК связываются с факторами, которые способствуют дестабилизации комплекса инициации, необходимого для активации РНК-полимеразы, и, следовательно, ингибируют транскрипцию. [5]

Гистоны модификация факторов транскрипции является еще одним ключевым регуляторным фактором транскрипции с помощью РНК - полимеразы. В общем, факторы, которые приводят к ацетилированию гистонов, активируют транскрипцию, тогда как факторы, которые приводят к деацетилированию гистонов, ингибируют транскрипцию. [6]Ацетилирование гистонов вызывает отталкивание между отрицательными компонентами в нуклеосомах, обеспечивая доступ РНК-полимеразы. Деацетилирование гистонов стабилизирует плотно свернутые нуклеосомы, ингибируя доступ РНК-полимеразы. В дополнение к паттернам ацетилирования гистонов паттерны метилирования в промоторных областях ДНК могут регулировать доступ РНК-полимеразы к данной матрице. РНК-полимераза часто неспособна синтезировать первичный транскрипт, если промоторная область целевого гена содержит специфические метилированные цитозины - остатки, которые препятствуют связыванию факторов активации транскрипции и привлекают другие ферменты для стабилизации прочно связанной структуры нуклеосом, исключая доступ к РНК-полимеразе и предотвращая производство первичных транскриптов. [4]

R-петли [ править ]

R-петли образуются во время транскрипции. R-петля представляет собой трехцепочечную структуру нуклеиновой кислоты, содержащую гибридную область ДНК-РНК и связанную нематричную одноцепочечную ДНК. Активно транскрибируемые участки ДНК часто образуют R-петли, уязвимые к повреждению ДНК . Интроны уменьшают образование R-петли и повреждение ДНК в высокоэкспрессируемых генах дрожжей. [7]

Обработка РНК [ править ]

Транскрипция, строго регулируемая фаза экспрессии генов, производит первичные транскрипты. Однако транскрипция - это только первый шаг, за которым должны следовать многие модификации, дающие функциональные формы РНК. [8] Иначе говоря, вновь синтезированные первичные транскрипты модифицируются несколькими способами для преобразования в их зрелые функциональные формы с образованием различных белков и РНК, таких как мРНК, тРНК и рРНК.

Обработка [ править ]

Основной процесс модификации первичного транскрипта аналогичен для тРНК и рРНК как в эукариотических, так и в прокариотических клетках. С другой стороны, процессинг первичного транскрипта варьируется в мРНК прокариотических и эукариотических клеток. [8] Например, некоторые мРНК прокариотических бактерий служат матрицами для синтеза белков, в то же время, когда они продуцируются посредством транскрипции. С другой стороны, пре-мРНК эукариотических клеток претерпевает широкий спектр модификаций до их транспорта из ядра в цитоплазму, где транслируются их зрелые формы. [8]Эти модификации отвечают за различные типы закодированных сообщений, которые приводят к переводу различных типов продуктов. Кроме того, процессинг первичного транскрипта обеспечивает контроль экспрессии генов, а также регуляторный механизм скорости деградации мРНК. Процессинг пре-мРНК в эукариотических клетках включает 5'-кэппинг , 3'-полиаденилирование и альтернативный сплайсинг .

5 мин. [ Править ]

Вскоре после инициации транскрипции у эукариот 5'-конец пре-мРНК модифицируется путем добавления 7-метилгуанозинового кэпа , также известного как 5'-кэп. [8] Модификация 5'-кэппинга инициируется добавлением GTP к 5'-концевому нуклеотиду пре-мРНК в обратной ориентации с последующим добавлением метильных групп к G-остатку. [8] 5'-кэппинг необходим для продукции функциональных мРНК, поскольку 5'-кэп отвечает за выравнивание мРНК с рибосомой во время трансляции. [8]

Полиаденилирование [ править ]

У эукариот полиаденилирование дополнительно модифицирует пре-мРНК, при этом добавляется структура, называемая поли-A-хвостом . [8] Сигналы полиаденилирования, которые включают несколько элементов последовательности РНК, выявляются группой белков, которые сигнализируют о добавлении поли-А-хвоста (приблизительно 200 нуклеотидов в длину). Реакция полиаденилирования обеспечивает сигнал об окончании транскрипции, и эта реакция заканчивается примерно на несколько сотен нуклеотидов ниже места поли-A-хвоста. [8]

Альтернативное сращивание [ править ]

Интроны пре-мРНК эукариот разделены сплайсосомами, состоящими из небольших ядерных рибонуклеопротеидов . [9] [10]

В сложных эукариотических клетках один первичный транскрипт способен готовить большие количества зрелых мРНК за счет альтернативного сплайсинга. Альтернативный сплайсинг регулируется таким образом, что каждая зрелая мРНК может кодировать множество белков.

Альтернативный сплайсинг первичного транскрипта

Эффект альтернативного сплайсинга на экспрессию генов можно увидеть у сложных эукариот, которые имеют фиксированное количество генов в своем геноме, но производят гораздо большее количество различных генных продуктов. [8] Большинство транскриптов пре-мРНК эукариот содержат несколько интронов и экзонов. Различные возможные комбинации 5'- и 3'-сайтов сплайсинга в пре-мРНК могут привести к различному вырезанию и комбинации экзонов, в то время как интроны удаляются из зрелой мРНК. Таким образом, генерируются различные виды зрелых мРНК. [8] Альтернативный сплайсинг происходит в большом белковом комплексе, называемом сплайсосомой . Альтернативный сплайсинг имеет решающее значение для тканеспецифической регуляции экспрессии генов и регуляции онтогенеза. [8]На альтернативный сплайсинг могут влиять различные факторы, включая мутации, такие как хромосомная транслокация .

У прокариот сплайсинг осуществляется путем автокаталитического или эндолитического расщепления. Автокаталитическое расщепление, в котором не участвуют белки, обычно зарезервировано для участков, кодирующих рРНК, тогда как эндолитическое расщепление соответствует предшественникам тРНК.

Эксперименты [ править ]

Исследование, проведенное Синди Л. Уиллс и Брюсом Дж. Дольником из отдела экспериментальной терапии в Мемориальном институте Розуэлл-Парк в Буффало, штат Нью-Йорк, и из программы клеточной и молекулярной биологии Университета Висконсина в Мэдисоне, штат Висконсин, было направлено на понимание клеточного процессы с участием первичных транскриптов. Исследователи хотели понять, подавляет ли 5- фторурацил (FUra), лекарство, известное своим применением для лечения рака, процессинг пре-мРНК дигидрофолатредуктазы (DHFR) и / или стабильность ядерной мРНК в метотрексате.-устойчивые клетки КБ. Длительное воздействие FUra не влияло на уровень пре-мРНК DHFR, содержащей определенные интроны, которые представляют собой участки пре-мРНК, которые обычно вырезаются из последовательности в ходе процессинга. Однако уровни общей мРНК DHFR снизились в два раза в клетках, подвергнутых воздействию 1,0 мкМ FUra. Не наблюдалось значительного изменения периода полужизни , который относится ко времени, необходимому для распада 50% мРНК, общей мРНК DHFR или пре-мРНК, наблюдаемых в клетках, подвергнутых воздействию FUra. И эксперименты по мечению ядерной / цитоплазматической РНК продемонстрировали, что скорость превращения ядерной РНК DHFR в цитоплазматическую мРНК DHFR снижалась в клетках, обработанных FUra. Эти результаты предоставляют дополнительные доказательства того, что FUra может способствовать процессингу предшественников мРНК и / или влиять на стабильность ядерной мРНК DHFR.[11]

Джудит Ленджел и Шелдон Пенман из отдела биологии Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже, штат Массачусетс, написали статью об одном типе первичного транскрипта, участвующем в генах двух двукрылых или насекомых с двумя крыльями: Drosophila и Aedes. . В статье описывается, как исследователи изучали первичные транскрипты гяРНК или пре-мРНК у двух видов насекомых. Сравнивали размер транскриптов гяРНК и фракцию гяРНК, которая превращается в мРНК в клеточных линиях или группах клеток, полученных из одной клетки любого изучаемого, Drosophila melanogaster и Aedes albopictus . Оба насекомых двукрылые, ноУ Aedes более крупный геном, чем у Drosophila . Это означает, что у Aedes больше ДНК, а значит, больше генов. Линия Aedes производит более крупную hnRNA, чем линия Drosophila, даже несмотря на то, что две клеточные линии росли в одинаковых условиях и продуцировали зрелую или процессированную мРНК одинакового размера и сложности последовательности. Эти данные предполагают, что размер hnRNA увеличивается с увеличением размера генома, что, очевидно, демонстрирует Aedes. [12]

Иво Мелчак, Степанка Мелчакова, Войтех Копский, Яромира Вецерова и Иван Раска из отдела клеточной биологии Института экспериментальной медицины Академии наук Чешской Республики в Праге изучали влияние ядерных спеклов на пре-мРНК. Ядерные спеклы (спеклы) являются частью ядер клеток и обогащены факторами сплайсинга, которые, как известно, участвуют в процессинге мРНК. Было показано, что ядерные спеклы служат соседним активным генам в качестве хранилищ этих факторов сплайсинга. В этом исследовании исследователи показали, что в клетках HeLa, полученных из клеток человека с раком шейки матки и доказавших свою полезность для экспериментов, первая группа сплайсосомна пре-мРНК происходят из этих крапинок. Исследователи использовали микроинъекции пре-мРНК аденовируса, принимающего сплайсосомы, и пре-мРНК мутантного аденовируса с дифференциальным связыванием факторов сплайсинга, чтобы образовать разные группы, а затем проследили за сайтами, в которых они в значительной степени присутствовали. Принимающие сплайсосомы пре-мРНК быстро направлялись в спеклы, но было обнаружено, что нацеливание зависит от температуры. Полипиримидиновый трактПоследовательности мРНК способствуют построению групп сплайсосом и необходимы для нацеливания, но сами по себе этого недостаточно. Нижеследующие фланкирующие последовательности были особенно важны для нацеливания на мутантные пре-мРНК в спеклах. В поддерживающих экспериментах за поведением спеклов наблюдали после микроинъекции антисмысловых дезоксиолигорибонуклеотидов (комплементарных последовательностей ДНК и / или РНК к определенной последовательности) и, в этом случае, конкретных последовательностей мяРНК.. snRNA также известны тем, что помогают в процессинге пре-мРНК. В этих условиях группы сплайсосом образуются на эндогенных пре-мРНК. Исследователи пришли к выводу, что группы сплайсосом на микроинъектированной пре-мРНК образуются внутри спеклов. Нацеливание пре-мРНК и накопление в спеклах является результатом загрузки факторов сплайсинга на пре-мРНК, и группы сплайсосом дали начало наблюдаемой пестрой картине. [13]

Связанные заболевания [ править ]

Исследования также привели к большему количеству знаний об определенных заболеваниях, связанных с изменениями в первичных транскриптах. Одно исследование касалось рецепторов эстрогена.и дифференциальная сварка. В статье Паолы Ферро, Алессандры Форлани, Марко Музелли и Ульриха Пфеффера из лаборатории молекулярной онкологии Национального института онкологии в Генуе, Италия, говорится в статье, озаглавленной «Альтернативный сплайсинг первичного транскрипта альфа-рецептора эстрогена человека: механизмы пропуска экзона». что 1785 нуклеотидов в области ДНК, которая кодирует альфа-рецептор эстрогена (ER-альфа), распределены по области, содержащей более 300 000 нуклеотидов в первичном транскрипте. Сплайсинг этой пре-мРНК часто приводит к вариантам или различным видам мРНК, лишенным одного или нескольких экзонов или областей, необходимых для кодирования белков. Эти варианты были связаны с прогрессированием рака груди . [14] В жизненном циклеретровирусов , провирусная ДНК включается в транскрипцию ДНК инфицированной клетки. Поскольку ретровирусам необходимо преобразовать свою пре-мРНК в ДНК, чтобы эта ДНК могла быть интегрирована в ДНК хозяина, на которого она влияет, формирование этой ДНК-матрицы является жизненно важным шагом для репликации ретровируса. Тип клетки, дифференцировка или измененное состояние клетки, а также физиологическое состояние клетки приводят к значительному изменению доступности и активности определенных факторов, необходимых для транскрипции. Эти переменные создают широкий диапазон экспрессии вирусных генов. Например, клетки тканевой культуры, активно продуцирующие инфекционные вирионы птичьего или мышиного лейкоза.вирусы (ASLV или MLV) содержат такие высокие уровни вирусной РНК, что 5–10% мРНК в клетке могут иметь вирусное происхождение. Это показывает, что первичные транскрипты, продуцируемые этими ретровирусами, не всегда следуют нормальному пути к продукции белка и конвертируются обратно в ДНК для размножения и расширения. [15]

См. Также [ править ]

  • цис- сращивание
  • Outron
  • транс- сплайсинг
  • Транскрипция (биология)
  • Транскриптом

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Т. Страчан; Эндрю П. Рид (январь 2004 г.). Молекулярная генетика человека 3 . Наука о гирляндах. С. 16–17. ISBN 978-0-8153-4184-0.
  2. ^ a b Альбертс Б. "Молекулярная биология клетки" . NCBI (3-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах.
  3. ^ Гриффитс AJ. «Введение в генетический анализ» . NCBI . Нью-Йорк: WH Freeman.
  4. ^ a b c Скотт Ф. Гилберт (15 июля 2013 г.). Биология развития . Sinauer Associates, Incorporated. С. 38–39, 50. ISBN 978-1-60535-173-5.
  5. ^ Браун Т.А. «Геномы» (2-е изд.). Оксфорд: Wiley-Liss.
  6. ^ Харви Лодиш (2008). Молекулярная клеточная биология . WH Freeman. С. 303–306. ISBN 978-0-7167-7601-7.
  7. ^ Bonnet А, Гроссо А.Р., Elkaoutari А, Coleno Е, Presle А, Шридхара СК, Janbon G, Гели В, де Алмейда SF, Palancade B (август 2017 г.). «Интроны защищают геномы эукариот от генетической нестабильности, связанной с транскрипцией» . Молекулярная клетка . 67 (4): 608–621.e6. DOI : 10.1016 / j.molcel.2017.07.002 . PMID 28757210 . 
  8. ^ a b c d e f g h i j k Купер GM. «Клетка: молекулярный подход» (2-е изд.). Сандерленд (Массачусетс): Sinauer Associates; 2000 г.
  9. ^ Уивер, Роберт Ф. (2005). Молекулярная биология , стр. 432-448. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 0-07-284611-9 . 
  10. ↑ Wahl MC, Will CL, Lührmann R (февраль 2009 г.). «Сплайсосома: принципы проектирования динамической машины RNP». Cell . 136 (4): 701–18. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.02.009 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-000F-9EAB-8 . PMID 19239890 . 
  11. ^ Will CL, Dolnick BJ (декабрь 1989). «5-Фторурацил ингибирует процессинг мРНК предшественника дигидрофолатредуктазы и / или стабильность ядерной мРНК в устойчивых к метотрексату клетках KB». Журнал биологической химии . 264 (35): 21413–21. PMID 2592384 . 
  12. ^ Ленджиел Дж, Пенман S (июль 1975). «Размер hnRNA и процессинг в связи с различным содержанием ДНК у двух двукрылых: Drosophila и Aedes». Cell . 5 (3): 281–90. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (75) 90103-8 . PMID 807333 . 
  13. ^ Melcák я, Melcáková S, Kopský В, Vecerová Дж, Раски I (февраль 2001 г.). «Пресплицеосомная сборка на микроинъектированной мРНК предшественника происходит в ядерных спеклах» . Молекулярная биология клетки . 12 (2): 393–406. CiteSeerX 10.1.1.324.8865 . DOI : 10.1091 / mbc.12.2.393 . PMC 30951 . PMID 11179423 .   
  14. ^ Ferro P, Форлани A, Muselli M, Пфеффер U (сентябрь 2003). «Альтернативный сплайсинг первичного транскрипта альфа рецептора эстрогена человека: механизмы пропуска экзона». Международный журнал молекулярной медицины . 12 (3): 355–63. PMID 12883652 . 
  15. ↑ Coffin JM, Hughes SH, Varmus HE, редакторы. Ретровирусы. Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк): Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор; 1997. Доступно по ссылке : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK19441/.

Внешние ссылки [ править ]

  • Статья Scienceden.com о РНК