Post-transkriptionell reglering
Post-transkriptionell reglering är kontroll av genuttryck på RNA- nivå. Det inträffar när RNA-polymeraset har fästs till genens promotor och syntetiserar nukleotidsekvensen. Därför, som namnet indikerar, sker det mellan transkriptionsfasen och translationsfasen av genuttryck . Dessa kontroller är avgörande för regleringen av många gener över mänskliga vävnader. Det spelar också en stor roll i cellfysiologi, och är inblandad i patologier som cancer och neurodegenerativa sjukdomar.
Mekanism
Efter att ha producerats regleras stabiliteten och distributionen av de olika transkripten (posttranskriptionell reglering) med hjälp av RNA- bindande protein (RBP) som kontrollerar de olika stegen och hastigheterna som kontrollerar händelser såsom alternativ splitsning , nukleär nedbrytning ( exosom ), bearbetning , kärnkraftsexport (tre alternativa vägar), sekvestrering i P-kroppar för lagring eller nedbrytning och slutligen translation . Dessa proteiner uppnår dessa händelser tack vare ett RNA-igenkänningsmotiv (RRM) som binder en specifik sekvens eller sekundär struktur av transkripten, typiskt vid 5' och 3' UTR av transkriptet. Kort sagt, dsRNA-sekvenserna, som kommer att brytas ner till siRNA inuti organismen, kommer att matcha med RNA:t för att hämma genuttrycket i cellen.
Modulering av täckning, splitsning, tillägg av en Poly(A)-svans , de sekvensspecifika kärnexporthastigheterna och i flera sammanhang sekvestrering av RNA-transkriptet sker i eukaryoter men inte i prokaryoter . Denna modulering är ett resultat av ett protein eller transkript som i sin tur är reglerat och kan ha en affinitet för vissa sekvenser.
- Capping ändrar den femprimära änden av mRNA till en treprimeände genom 5'-5'-koppling, vilket skyddar mRNA från 5'- exonukleas , som bryter ned främmande RNA. Locket hjälper också till vid ribosombindning. Dessutom representerar den ett unikt märke för en korrekt gen. Därför hjälper det att välja mRNA som ska översättas.
- RNA-skarvning tar bort intronerna , icke-kodande regioner som transkriberas till RNA, för att göra mRNA kapabel att skapa proteiner. Celler gör detta genom att spliceosomer binder på vardera sidan av en intron, loopar intronen i en cirkel och sedan klyver den bort. De två ändarna av exonerna förenas sedan.
- Tillägg av poly(A)-svans, annars känd som polyadenylering . Det vill säga, en sträcka av RNA som är gjord enbart av adeninbaser läggs till 3'-änden och fungerar som en buffert till 3'-exonukleaset för att öka halveringstiden för mRNA. Dessutom kan en lång poly(A)-svans öka translationen. Poly(A)-bindande protein (PABP) binder till en lång poly(A)-svans och förmedlar interaktionen mellan EIF4E och EIF4G vilket uppmuntrar initieringen av translation.
- RNA-redigering är en process som resulterar i sekvensvariation i RNA-molekylen och katalyseras av enzymer. Dessa enzymer inkluderar adenosindeaminaset som verkar på RNA ( ADAR )-enzymer, som omvandlar specifika adenosinrester till inosin i en mRNA-molekyl genom hydrolytisk deaminering. Tre ADAR-enzymer har klonats, ADAR1, ADAR2 och ADAR3, även om endast de två första subtyperna har visat sig ha RNA-redigeringsaktivitet. Många mRNA är känsliga för effekterna av RNA-redigering, inklusive glutamatreceptorsubenheterna GluR2, GluR3, GluR4, GluR5 och GluR6 (som är komponenter i AMPA- och kainatreceptorerna), serotonin2C-receptorn, GABA-alfa3-receptorsubenheten, tryptofanen hydroxylasenzymet TPH2, hepatit delta-viruset och mer än 16 % av mikroRNA. Förutom ADAR-enzymer finns CDAR-enzymer och dessa omvandlar cytosiner i specifika RNA-molekyler till uracil. Dessa enzymer kallas 'APOBEC' och har genetiska loci vid 22q13, en region nära den kromosomala deletionen som inträffar vid velokardiofacialt syndrom (22q11) och som är kopplad till psykos. RNA-redigering studeras omfattande i relation till infektionssjukdomar, eftersom redigeringsprocessen förändrar virusfunktionen.
- mRNA-stabilitet kan manipuleras för att kontrollera dess halveringstid, och poly(A)-svansen har viss effekt på denna stabilitet, som tidigare nämnts. Stabilt mRNA kan ha en halveringstid på upp till en dag eller mer vilket möjliggör produktion av mer proteinprodukt; instabilt mRNA används vid reglering som måste ske snabbt. mRNA-stabilitet är en viktig faktor som är baserad på mRNA-nedbrytningshastigheter.
- Kärnkraftsexport. Endast en tjugondel av den totala mängden RNA lämnar kärnan för att fortsätta med translation. Resten av RNA-molekylerna, vanligtvis utskurna introner och skadade RNA, hålls i kärnan där de så småningom bryts ned. mRNA lämnar kärnan först när den är redo att fortsätta, vilket innebär att kärnkraftsexporten försenas tills bearbetningen är klar. Som ett intressant faktum finns det några mekanismer som attackerar denna kärnexportprocess för att reglera genuttryck. Ett exempel på reglerad nukleär transport av mRNA kan observeras i HIV.
Transkriptionsdämpning
Transkriptionsdämpning är en typ av prokaryotisk reglering som endast sker under vissa förhållanden. Denna process inträffar i början av RNA-transkription och får RNA-kedjan att avslutas före genuttryck. Transkriptionsdämpning orsakas av felaktig bildning av en begynnande RNA-kedja. Denna begynnande RNA-kedja antar en alternativ sekundär struktur som inte interagerar på lämpligt sätt med RNA-polymeraset . För att genuttrycket ska fortsätta måste regulatoriska proteiner binda till RNA-kedjan och ta bort försvagningen, vilket är kostsamt för cellen.
I prokaryoter finns det två mekanismer för transkriptionsdämpning. Dessa två mekanismer är inre terminering och faktorberoende terminering.
- I den inneboende termineringsmekanismen , även känd som Rho-oberoende terminering , bildar RNA-kedjan en stabil transkripthårnålsstruktur i 3'-änden av generna som får RNA-polymeraset att sluta transkribera. Stamslingan följs av en körning av U (poly U-svans) som stoppar polymeraset, så att RNA-hårnålen har tillräckligt med tid att bildas. Sedan dissocieras polymeraset på grund av den svaga bindningen mellan poly U-svansen , från transkript-RNA:t, och poly A-svansen, från DNA-mallen, vilket gör att mRNA:t frisätts i förtid. Denna process hämmar transkription. För att förtydliga så kallas denna mekanism för Rho-oberoende eftersom den inte kräver någon ytterligare proteinfaktor som den faktorberoende termineringen gör, vilket är en enklare mekanism för cellen att reglera gentranskription. Några exempel på bakterier där denna typ av reglering dominerar är Neisseria, Psychrobacter och Pasteurellaceae , samt majoriteten av bakterierna i Firmicutes phylum.
- In faktorberoende terminering , som är ett proteinfaktorkomplex som innehåller Rho-faktor , är bundet till ett segment från RNA-kedjans transkript. Rho-komplexet börjar sedan leta i 3'-riktningen efter ett pausat RNA-polymeras. Om polymeraset hittas stoppas processen omedelbart, vilket resulterar i abort av RNA-transkription. Även om detta system inte är lika vanligt som det som beskrivs ovan, finns det vissa bakterier som använder den här typen av terminering, som tna- operonet i E.coli .
Denna typ av reglering är inte effektiv i eukaryoter eftersom transkription sker i kärnan medan translation sker i cytoplasman. Därför fortsätter mekanismen inte och den kan inte exekveras korrekt som den skulle om båda processerna sker på cytoplasman.
MicroRNA-medierad reglering
MikroRNA (miRNA) verkar reglera uttrycket av mer än 60 % av de proteinkodande generna i det mänskliga genomet. Om ett miRNA är rikligt kan det bete sig som en "switch", vilket slår på eller av vissa gener. Ändrad expression av många miRNA leder dock bara till en blygsam 1,5- till 4-faldig förändring i proteinuttryck av deras målgener. Individuella miRNA undertrycker ofta flera hundra målgener. Repression sker vanligtvis antingen genom translationell tystnad av mRNA:t eller genom nedbrytning av mRNA:t, via komplementär bindning, mestadels till specifika sekvenser i den 3' otranslaterade regionen av målgenens mRNA. Mekanismen för translationell tystnad eller nedbrytning av mRNA implementeras genom det RNA-inducerade tystande komplexet ( RISC).
Feedback i regleringen av RNA-bindande proteiner
RNA-bindande proteiner (RBP) är dynamiska sammansättningar mellan mRNA och olika proteiner som bildar budbärarribonukleoproteinkomplex (mRNP). Dessa komplex är väsentliga för regleringen av genuttryck för att säkerställa att alla steg utförs korrekt under hela processen. Därför är de viktiga kontrollfaktorer för proteinnivåer och cellfenotyper. Dessutom påverkar de mRNA-stabilitet genom att reglera dess konformation på grund av miljön, stress eller extracellulära signaler. Men deras förmåga att binda och kontrollera en så stor mängd olika RNA-mål gör det möjligt för dem att bilda komplexa regulatoriska nätverk (PTRNs). Dessa nätverk representerar en utmaning att studera varje RNA-bindande protein individuellt. Tack och lov, på grund av nya metodiska framsteg, expanderar identifieringen av RBP långsamt, vilket visar att de finns i breda familjer av proteiner. RBP kan avsevärt påverka flera biologiska processer och måste uttryckas mycket exakt. Överuttryck kan ändra mRNA-målhastigheten, binda till RNA-ställen med låg affinitet och orsaka skadliga resultat på cellulär kondition. Att inte kunna syntetisera på rätt nivå är också problematiskt eftersom det kan leda till celldöd. Därför regleras RBPs via autoreglering , så de har kontroll över sina egna handlingar. Dessutom använder de både negativ feedback , för att upprätthålla homeostas, och positiv feedback , för att skapa binära genetiska förändringar i cellen.
Hos metazoer och bakterier regleras många gener som är involverade i post-post-transkriptionell reglering post-transkriptionellt. För Drosophila RBPs associerade med splitsning eller nonsensmedierad förfall, har analyser av protein-protein- och protein-RNA-interaktionsprofiler avslöjat allestädes närvarande interaktioner med RNA och proteinprodukter av samma gen. Det är fortfarande oklart om dessa observationer drivs av ribosomproximala eller ribosommedierade kontakter, eller om vissa proteinkomplex, särskilt RNP, genomgår samtranslationell sammansättning.
Betydelse
Detta studieområde har nyligen fått större betydelse på grund av de ökande bevisen för att post-transkriptionell reglering spelar en större roll än tidigare förväntat. Även om protein med DNA-bindande domäner är rikligare än protein med RNA-bindande domäner, visar en färsk studie av Cheadle et al. (2005) visade att under T-cellsaktivering hade 55 % av signifikanta förändringar på steady-state nivå inga motsvarande förändringar på transkriptionsnivå, vilket betyder att de var ett resultat av enbart stabilitetsreglering.
Vidare är RNA som finns i kärnan mer komplext än det som finns i cytoplasman: mer än 95 % (baser) av RNA som syntetiseras av RNA-polymeras II når aldrig cytoplasman . Den främsta anledningen till detta beror på borttagandet av introner som står för 80% av de totala baserna. Vissa studier har visat att även efter bearbetning skiljer sig nivåerna av mRNA mellan cytoplasman och kärnan mycket.
Utvecklingsbiologi är en bra källa till modeller för reglering, men på grund av de tekniska svårigheterna var det lättare att fastställa transkriptionsfaktorkaskaderna än reglering på RNA-nivå. Faktum är att flera nyckelgener såsom nanos är kända för att binda RNA men ofta är deras mål okända. Även om RNA-bindande proteiner kan reglera post-transkriptionellt stora mängder av transkriptomet, är inriktningen av en enskild gen av intresse för det vetenskapliga samfundet av medicinska skäl, detta är RNA-interferens och mikroRNA som båda är exempel på posttranskriptionell reglering, som reglerar förstörelsen av RNA och ändra kromatinstrukturen. För att studera post-transkriptionell reglering används flera tekniker, såsom RIP-Chip (RNA- immunoutfällning på chip).
mikroRNAs roll i cancer
Brist på uttryck av en DNA-reparationsgen förekommer i många cancerformer (se DNA-reparationsdefekt och cancerrisk och mikroRNA- och DNA-reparation) . Ändrad mikroRNA -uttryck (miRNA) som antingen minskar exakt DNA-reparation eller ökar inexakt mikrohomologi-medierad ändfogning (MMEJ) DNA-reparation observeras ofta i cancer. Brist på exakt DNA-reparation kan vara en viktig källa till den höga frekvensen av mutationer i cancer (se mutationsfrekvenser i cancer) . Förtryck av DNA-reparationsgener i cancer genom förändringar i nivåerna av mikroRNA kan vara en vanligare orsak till förtryck än mutation eller epigenetisk metylering av DNA-reparationsgener.
Till exempel används BRCA1 i den exakta homologa rekombinationella reparationsvägen (HR). Brist på BRCA1 kan orsaka bröstcancer. Nedreglering av BRCA1 på grund av mutation förekommer i cirka 3 % av bröstcancerfallen. Nedreglering av BRCA1 på grund av metylering av dess promotor förekommer i cirka 14 % av bröstcancerfallen. Men ökat uttryck av miR-182 nedreglerar BRCA1-mRNA och proteinuttryck, och ökat miR-182 finns i 80 % av bröstcancerfallen.
finns en muterad konstitutivt (persistent) uttryckt version av onkogenen c-Myc i många cancerformer. Bland många funktioner reglerar c-Myc negativt mikroRNA miR-150 och miR-22. Dessa mikroRNA undertrycker normalt uttryck av två gener som är väsentliga för MMEJ, Lig3 och Parp1 , och hämmar därigenom denna felaktiga, mutagena DNA-reparationsväg. Muvarak et al. visade, vid leukemier, att konstitutivt uttryck av c-Myc, vilket ledde till nedreglering av miR-150 och miR-22, tillät ökat uttryck av Lig3 och Parp1 . Detta genererar genomisk instabilitet genom ökad felaktig MMEJ-DNA-reparation och bidrar sannolikt till progression till leukemi.
För att visa den frekventa förmågan hos mikroRNA att förändra DNA-reparationsuttryck, Hatano et al. genomförde en stor screeningstudie, där 810 mikroRNA transfekterades in i celler som sedan utsattes för joniserande strålning (IR). För 324 av dessa mikroRNA reducerades DNA-reparation (celler dödades mer effektivt av IR) efter transfektion. För ytterligare 75 mikroRNA ökade DNA-reparationen, med mindre celldöd efter IR. Detta indikerar att förändringar i mikroRNA ofta kan nedreglera DNA-reparation, ett troligt viktigt tidigt steg i progression till cancer.
Se även
externa länkar
| Översikt |
|
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Teknik |
|
||||||
