Биогенез рибосом - это процесс создания рибосом . У прокариот этот процесс происходит в цитоплазме с транскрипцией многих оперонов рибосомных генов . У эукариот это происходит как в цитоплазме, так и в ядрышке . Он включает скоординированную функцию более 200 белков в синтезе и процессинге трех прокариотических или четырех эукариотических рРНК , а также сборку этих рРНК с рибосомными белками. Большинство рибосомных белков относятся к различным семействам энергоемких ферментов, включая АТФ-зависимые РНК- геликазы., ААА-АТФазы , ГТФазы и киназы . [1] Около 60% энергии клетки тратится на производство и поддержание рибосом. [2]
Биогенез рибосом - это очень строго регулируемый процесс, который тесно связан с другими клеточными активностями, такими как рост и деление. [3] [4]
Некоторые предполагают, что в зародыше жизни биогенез рибосом предшествовал клеткам, и что гены и клетки эволюционировали, чтобы повысить репродуктивную способность рибосом. [5]
Рибосомы [ править ]
Рибосомы являются высокомолекулярные машины, которые отвечают за мРНК перевода в белки. Рибосома эукариот, также называемая рибосомой 80S, состоит из двух субъединиц - большой субъединицы 60S (которая содержит 25S [у растений] или 28S [у млекопитающих], 5.8S и 5S рРНК и 46 рибосомных белков) и малая субъединица 40S (которая содержит 18S рРНК и 33 рибосомных белка). [6] Рибосомные белки кодируются рибосомными генами.
| Тип | Размер | Большая субъединица ( LSU рРНК ) | Малая субъединица ( SSU рРНК ) |
| прокариотический | 70-е годы | 50S ( 5S : 120 н., 23S : 2906 н.) | 30S ( 16S : 1542 нт) |
| эукариотический | 80-е годы | 60S ( 5S : 121 н., [7] 5,8S : 156 н., [8] 28S : 5070 н. [9] ) | 40S ( 18S : 1869 н. [10] ) |
Прокариоты [ править ]
Существует 52 гена, кодирующих рибосомные белки, и их можно найти в 20 оперонах прокариотической ДНК. Регуляция синтеза рибосом зависит от регуляции самой рРНК .
Во-первых, уменьшение аминоацил-тРНК заставит прокариотическую клетку ответить снижением транскрипции и трансляции . Это происходит в несколько этапов, начиная с связывания строгих факторов с рибосомами и катализирующих реакцию:
GTP + ATP -> pppGpp + AMP.
Затем удаляется γ-фосфат, и ppGpp связывается с РНК-полимеразой и ингибирует ее. Это связывание вызывает снижение транскрипции рРНК. Уменьшение количества рРНК означает, что рибосомные белки (р-белки) будут транслироваться, но не будут иметь рРНК для связывания. Вместо этого они будут иметь отрицательную обратную связь и связываться со своей собственной мРНК, подавляя синтез r-белка. Обратите внимание, что р-белки предпочтительно связываются со своей комплементарной рРНК, если она присутствует, а не с мРНК.
Опероны рибосом также включают гены РНК-полимеразы и факторов элонгации (используемых в трансляции РНК). Регуляция всех этих генов одновременно иллюстрирует связь между транскрипцией и трансляцией у прокариот.
Эукариоты [ править ]
Синтез рибосомного белка у эукариот является основной метаболической активностью. Он происходит, как и большинство других белков, в цитоплазме сразу за пределами ядра. Индивидуальные рибосомные белки синтезируются и импортируются в ядро через ядерные поры . См. Ядерный импорт для получения дополнительной информации о движении рибосомных белков в ядро.
ДНК транскрибируется с высокой скоростью в ядрышке , которое содержит все гены 45S рРНК. Единственным исключением является 5S рРНК, которая транскрибируется вне ядрышка . После транскрипции рРНК связываются с рибосомными белками, образуя два типа рибосомных субъединиц (большие и маленькие). Позже они соберутся в цитозоле, чтобы создать функционирующую рибосому. См. Ядерный экспорт для получения дополнительной информации о движении рибосомных субъединиц из ядра. [11]
Обработка [ править ]
Эукариотические клетки транскрибируют три зрелых вида рРНК в несколько этапов. Процесс созревания рРНК и процесс рекрутирования р-белков происходит в исходных рибосомных частицах, иногда называемых пре-рибосомами, и происходит в ядрышке , нуклеоплазме и цитоплазме . Дрожжи S. cerevisiae являются модельным эукариотическим организмом для изучения биогенеза рибосом. Биогенез рибосом начинается в ядрышке . Там, 18S, 5.8S и 25S субъединицы рРНКа сотранскрибированные из рибосомных генов , как полицистронный транскрипт с помощью РНК - полимеразы I , [3] и называется 35S РНК предварительно. [1]
Транскрипция полимеразы I начинается с инициирующего комплекса Pol I, который связывается с промотором рДНК . Формирование этого комплекса требует помощи вышестоящего активирующего фактора или UAF, который ассоциируется со связывающим белком TATA-бокса и основным фактором (CF). Вместе два фактора транскрипции позволяют комплексу РНК pol I связываться с фактором инициации полимеразы I, Rrn3. По мере того как продуцируется транскрипт pol I, приблизительно 75 малых ядрышковых рибонуклео-частиц (snoRNP) способствуют ко-транскрипционным ковалентным модификациям> 100 остатков рРНК. Эти snoRNP контролируют метилирование 2'-O-рибозы нуклеотидов, а также помогают в создании псевдоуридинов . [1]На 5'-конце транскриптов рРНК малые субъединичные рибосомные белки (Rps) и не-рибосомные факторы собираются с транскриптами пре-РНК, образуя шарообразные выступы. Эти выступы являются первыми прерибосомными частицами в пути малых (40S) рибосомных субъединиц. [1] Транскрипт рРНК расщепляется по сайту A2, и это отделяет раннюю пре-рибосому 40S от оставшейся пре-рРНК, которая будет объединяться с рибосомными белками большой субъединицы (Rpl) и другими не-рибосомными факторами для создания пре-рибосомы. Рибосомные частицы 60S. [1]
Подблок 40S [ править ]
Транскрипционная сборка предшественника 40 S- субъединицы, иногда называемого процессомом малых субъединиц (SSU) или 90S-частицей, происходит иерархическим образом - по существу, путем поэтапного включения подкомплексов UTP-A, UTP-B и UTP-C. Эти субкомплексы состоят из более чем 30 не рибосомных белковых факторов, частицы snoRNP U3, нескольких белков Rps и пре-рРНК 35S. Их точная роль, однако, не выяснена. [3] Состав частицы пре-40S резко меняется после того, как происходит расщепление по U3 snoRNPA-зависимым сайтам (сайты A0, A1 и A2). Это событие расщепления создает пре-рРНК 20S и вызывает диссоциацию рибосомных факторов от частицы пре-40S. U3 вытесняется из зарождающегося 40S геликазой Dhr1. [12]На этом этапе процесса биогенеза рибосом пре-рибосома 40S уже показывает структуры «голова» и «тело» зрелой субъединицы 40S. Прерибосома 40S транспортируется из ядрышка в цитоплазму. Цитоплазматическая пре-рибосома 40S теперь содержит рибосомные белки, 20s рРНК и несколько нерибосомных факторов. Окончательное формирование структуры «клюва» субъединицы 40S происходит после события фосфорилирования и дефосфорилирования с участием комплекса Enp1-Ltv1-Rps3 и киназы Hrr25. Расщепление 20S пре-рРНК в D-сайте создает зрелую 18s рРНК. Это событие расщепления зависит от нескольких нерибосомных факторов, таких как Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 и Fap7. [1]
Подблок 60S [ править ]
Созревание субъединицы пре-60S в зрелую субъединицу 60S требует многих факторов биогенеза, которые связываются и диссоциируют. Кроме того, некоторые факторы сборки связаны с субъединицей 60S, в то время как другие взаимодействуют с ней временно. Как общая тенденция, созревание субъединицы до 60S характеризуется постепенным снижением сложности. Субъединица созревает по мере продвижения от ядрышка к цитоплазме, и постепенно количество транс-действующих факторов уменьшается. [3]Созревание субъединицы 60S требует помощи около 80 факторов. Восемь из этих факторов непосредственно участвуют в процессинге пре-рРНК 27S A3, который фактически завершает формирование зрелого 5'-конца 5,8S рРНК. Факторы A3 связываются с удаленными участками пре-РНК, а также друг с другом. Впоследствии они сближают области рРНК и способствуют процессингу пре-рРНК и рекрутированию рибосомных белков. Три АТФазы типа ААА работают, чтобы удалить факторы из созревающей пре-рибосомы 60S. Одна из АТФазпредставляет собой динеин-подобный белок Rea1, состоящий из 6 различных доменов АТФазы, образующих кольцевую структуру. Кольцевая структура прикреплена к гибкому хвостовику, который имеет кончик MIDAS (сайт адгезии, зависящий от ионов металлов). Rea1 взаимодействует с пре-рибосомой 60S через свое кольцо, в то время как два субстрата , Ytm1 и Rsa1, взаимодействуют с Rea1 через его кончик MIDAS. Роль этих субстратов еще не определена. Однако оба, вместе с их взаимодействием, удаляются в процессе созревания пре-рибосомы 60S. Две другие АТФазы, Rix7 и Drg1, также действуют, чтобы удалить факторы сборки из созревающей субъединицы 60S. Геликазы и ГТФазытакже участвуют в удалении факторов сборки и перестройке РНК с образованием завершенной субъединицы 60S. Попав в цитоплазму (см. Ядерный экспорт), субъединица 60S подвергается дальнейшей обработке, чтобы быть функциональной. Остальные рибосомные частицы большой субъединицы связываются с 60S единицей, а оставшиеся нерибосомные факторы сборки диссоциируют. Высвобождение факторов биогенеза в основном опосредуется GTPases, такими как Lsg1, и ATPases, такими как Drg1. Точная последовательность этих событий остается неясной. Насколько известно, путь созревания цитоплазмы 60S остается незавершенным. [3]
Ядерный экспорт [ править ]
Чтобы прерибосомные единицы полностью созрели, они должны экспортироваться в цитоплазму . Чтобы эффективно перемещаться из ядрышка в цитоплазму, пре-рибосомы взаимодействуют с экспортными рецепторами, перемещаясь через гидрофобный центральный канал комплекса ядерных пор. [3] karyopherin Crm1 представляет собой рецептор для обоих субъединицами рибосом и опосредует экспорт в Ран-ГТФ зависимым образом. Он распознает молекулы, содержащие лейцин.-обогатые сигналы ядерного экспорта. Crm1 притягивается к большой 60S-субъединице с помощью адаптерного белка, называемого Nmd3. Адаптерный белок для блока 40S неизвестен. Помимо Crm1, другие факторы играют роль в ядерном экспорте пре-рибосом. Общий рецептор экспорта мРНК, называемый Mex67, а также белок, содержащий повторы HEAT, Rrp12, способствуют экспорту обеих субъединиц. Эти факторы являются несущественными белками и помогают оптимизировать экспорт пре-рибосом, поскольку они представляют собой большие молекулы. [3]
Контроль качества [ править ]
Поскольку рибосомы настолько сложны, определенное количество рибосом собрано неправильно и потенциально может тратить клеточную энергию и ресурсы при синтезе нефункциональных белков. Чтобы предотвратить это, клетки имеют активную систему наблюдения для распознавания поврежденных или дефектных рибосом и нацеливания на них для деградации. Имеется механизм наблюдения для обнаружения нефункциональных пре-рибосом, а также нефункциональных зрелых рибосом. Кроме того, система наблюдения предоставляет необходимое оборудование для деградации и фактически разрушает нефункциональные рибосомы. [1] Пре-рибосомы, которые накапливаются в ядре, разрушаются экзосомой , которая представляет собой мультисубъединичный комплекс с экзонуклеазой.Мероприятия. Если дефектные рибосомные субъединицы действительно выходят из ядрышка в цитоплазму, существует вторая система наблюдения, нацеленная на дефектные рибосомы в цитоплазме для деградации. Определенные мутации в остатках большой субъединицы рибосомы фактически приводят к распаду РНК и, таким образом, к деградации единицы. Поскольку количество дефектов, которые возможны в сборке рибосом, настолько велико, до сих пор неизвестно, как система наблюдения обнаруживает все дефекты, но было постулировано, что вместо того, чтобы нацеливаться на конкретные дефекты, система наблюдения распознает последствия этих дефектов. - например, задержки при сборке. Это означает, что в случае нарушения сборки или созревания зрелой рибосомы система наблюдения будет действовать так, как если бы субъединица была дефектной.[3]
Болезнь человека [ править ]
Мутации в биогенезе рибосом связаны с несколькими генетическими заболеваниями человека - рибосомопатиями , включая наследственные синдромы недостаточности костного мозга, которые характеризуются предрасположенностью к раку и уменьшенным количеством клеток крови. Нарушение регуляции рибосом также может играть роль в истощении мышц . [13]
См. Также [ править ]
- РНК-полимераза
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f g Кресслер, Дитер; Больно, Эд; Баблер, Йохен (2009). «Схема сборки рибосом» (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1803 (6): 673–683. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2009.10.009 . PMID 19879902 .
- ↑ Криста Конгер (26 июня 2017 г.). «Недавно выявленный процесс регуляции генов бросает вызов науке, - говорят исследователи». Внутри Стэнфордской медицины . 9 (12). Стэндфордский Университет.
- ^ a b c d e f g h Томсон, Эмма; Феррейра-Черка, Себастьян; Больно, Эд (2013). «Биогенез эукариотических рибосом вкратце» . Журнал клеточной науки . 126 (21): 4815–4821. DOI : 10,1242 / jcs.111948 . PMID 24172536 .
- ^ Лу Т, Stroot П.Г., Oerther БД (2009). «Обратная транскрипция 16S рРНК для мониторинга популяций бактерий, синтезирующих рибосомы, в окружающей среде» . Прикладная и экологическая микробиология . 75 (13): 4589–4598. DOI : 10,1128 / AEM.02970-08 . PMC 2704851 . PMID 19395563 .
- ^ Рут-Бернштейн, Мередит; Рут-Бернштейн, Роберт (21 февраля 2015 г.). «Рибосома как недостающее звено в эволюции жизни» . Журнал теоретической биологии . 367 : 130–158. DOI : 10.1016 / j.jtbi.2014.11.025 . PMID 25500179 .
- ^ Thomson, E .; Ferreira-Cerca, S .; Хёрт, Э. (2013). «Биогенез эукариотических рибосом вкратце» . Журнал клеточной науки . 126 (21): 4815–4821. DOI : 10,1242 / jcs.111948 . PMID 24172536 .
- ^ « Гомо сапиенс 5S рибосомальной РНК» . 2018-05-24. Cite journal requires
|journal=(help) - ^ « Гомо сапиенс 5.8S рРНК» . 2017-02-10. Cite journal requires
|journal=(help) - ^ « Гомо сапиенс 28S рибосомальной РНК» . 2017-02-04. Cite journal requires
|journal=(help) - ^ " Homo sapiens 18S рибосомная РНК" . 2017-02-04. Cite journal requires
|journal=(help) - Перейти ↑ Lafontaine, Denis LJ (2010). «Мусорный бак для рибосом: как эукариоты разрушают свои рибосомы». Trends Biochem Sci . 35 (5): 267–77. DOI : 10.1016 / j.tibs.2009.12.006 . PMID 20097077 .
- ^ Сардана, R; Лю, X; Граннеман, S; Чжу, Дж; Гилл, М; Папулас, О; Marcotte, EM; Толлервей, Д; Correll, CC; Джонсон, AW (февраль 2015 г.). «DEAH-бокс-геликаза Dhr1 отделяет U3 от пре-рРНК, способствуя образованию центрального псевдоузла» . PLOS Биология . 13 (2): e1002083. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1002083 . PMC 4340053 . PMID 25710520 .
- ^ Коннолли, Мартин (2017). «miR-424-5p снижает синтез рибосомальной РНК и белка при истощении мышц» . Журнал кахексии, саркопении и мышц . 9 (2): 400–416. DOI : 10.1002 / jcsm.12266 . PMC 5879973 . PMID 29215200 .
