мРНК

Основные этапы жизненного цикла мРНК эукариот

Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК) — РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков^[1]. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.

Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+)оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех. Следует отметить, что ДНК не содержит чертежи взрослого организма, а больше похожа на «рецепт» по его изготовлению.

История открытия

К середине XX века были накоплены научные данные, которые позволили заключить, что структура белков кодируется участками ДНК — генами^[2]. Однако непосредственный механизм кодирования не был установлен.

Работы Ж. Браше (1944) и Т. Касперссона (1947) показали, что клетки, активно синтезирующие белок, содержат большое количество РНК в цитоплазме. Впоследствии выяснилось, что это относится главным образом к рибосомальной РНК, а не к мРНК, количество которой в клетке относительно невелико. Тем не менее, это наблюдение связывало между собой ДНК, РНК и белок и, вероятно, сыграло роль в предположении о возможной роли РНК как посредника, способного переносить информацию от ДНК в ядре к аппарату биосинтеза белка в цитоплазме^[3].

В это же время были открыты рибосомы — рибонуклеопротеидные частицы, синтезирующие белок. Было сделано предположение о том, что гены транскрибируются в РНК рибосом, которые и служат матрицами для синтеза белка^[4]. Однако в 1956—1958 годах А. Белозерский и А. Спирин, проведя сравнительный анализ нуклеотидного состава ДНК и РНК ряда микроорганизмов, показали, что, при больших вариациях в составе ДНК, РНК разных видов были довольно похожи^[5]. Это указывало на то, что основная масса клеточной РНК (рРНК) не отражает нуклеотидный состав ДНК данного организма и не может служить матрицей для синтеза белков. В то же время авторам удалось наблюдать слабую положительную корреляцию между составом ДНК и РНК при больших различиях между видами. Это позволило им предположить, что в клетке, помимо рРНК, существует ещё одна небольшая фракция РНК, которая может быть посредником при экспрессии генов.

Независимо Э. Волкин и Л. Астрачан пришли к сходным выводам: они обнаружили, что при заражении бактериальных клеток бактериофагом Т2 они полностью переключаются на синтез белков вируса. В то время как большая часть РНК клетки-хозяина остаётся неизменной, после заражения синтезируется небольшое количество короткоживущей РНК, сходной по нуклеотидному составу с ДНК фага^[6][7].

В 1961 году несколькими группами исследователей было прямо доказано существование короткоживущего РНК-посредника, близкого по структуре к генам в ДНК, который служит матрицей для синтеза белка, связываясь с рибосомами^[8][9].

«Жизненный цикл»

Жизненный цикл молекулы мРНК начинается её «считыванием» с матрицы ДНК (транскрипция) и завершается её деградацией до отдельных нуклеотидов. Молекула мРНК в течение своей жизни может подвергатся различным модификациям перед синтезом белка (трансляцией). Эукариотические молекулы мРНК часто требуют сложной обработки и транспортировки из ядра — места синтеза мРНК, на рибосомы, где происходит трансляция, в то время как прокариотические молекулы мРНК этого не требуют и синтез РНК у них сопряжён с синтезом белка^[10].

Транскрипция

Основная статья: Транскрипция (биология)

Транскрипцией называют процесс копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК. Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой, строящей, согласно принципу комплементарности, копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Этот процесс как у эукариот, так и у прокариот организован одинаково. Основное различие между про- и эукариотами состоит в том, что у эукариот РНК-полимераза во время транскрипции ассоциируется с мРНК-обрабатывающими ферментами, поэтому у них обработка мРНК и транскрипция могут проходить одновременно. Короткоживущие необработанные или частично обработанные продукты транскрипции называются пре-мРНК; после полной обработки — зрелая мРНК.

Созревание эукариотической мРНК

Основная статья: Посттранскрипционные модификации РНК

В то время как мРНК прокариот (бактерий и архей), за редкими исключениями, сразу готовы к трансляции и не требуют специальной обработки, эукариотические пре-мРНК подвергаются интенсивным модификациям. Так, одновременно с транскрипцией происходит добавление на 5'-конец молекулы РНК специального модифицированного нуклеотида (кэпа), удаление определённых участков РНК (сплайсинг), а также добавление на 3'-конец адениновых нуклеотидов (так называемый полиадениновый, или поли(А)-, хвост)^[11]. Обычно эти посттранскрипционные изменения мРНК эукариот обозначают термином «процессинг мРНК».

Кэпирование является первым этапом процессинга мРНК. Оно осуществляется, когда синтезируемый транскрипт достигает длины 25—30 нуклеотидов^[12]. Сразу после присоединения кэпа к 5'-концу транскрипта с ним связывается кэп-связывающий комплекс CBC (англ. cap binding complex), который остаётся связанным с мРНК до завершения процессинга и важен для всех последующих его этапов^[13]. В процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются не кодирующие белок последовательности — интроны. Полиаденилирование необходимо для транспорта большинства мРНК в цитоплазму и защищает молекулы мРНК от быстрой деградации (увеличивает время их полужизни). Лишённые поли(А)-участка молекулы мРНК (например, вирусные) быстро разрушаются в цитоплазме клеток эукариот рибонуклеазами.

После завершения всех стадий процессинга мРНК проходит проверку на отсутствие преждевременных стоп-кодонов, после чего она становиться полноценной матрицей для трансляции^[14]. В цитоплазме кэп узнаётся факторами инициации, белками, отвечающими за присоединение к мРНК рибосомы, полиадениновый хвост связывается со специальным поли(А)-связывающим белком PABP1.

Сплайсинг

Основная статья: Сплайсинг

Схема сплайсинга, в процессе которого пре-мРНК созревает в зрелую РНК. Зелёный — нетранслируемые участки (UnTranslated Regions, UTR), синий — интроны, красный — транслируемые (кодирующие белок) участки

Сплайсинг — это процесс, в котором из пре-мРНК удаляются участки, не кодирующие белок, называемые интронами; последовательности, которые остаются, несут информацию о структуре белка и называются экзонами. Иногда продукты сплайсинга пре-мРНК могут быть соединены разными способами, позволяя одному гену кодировать несколько белков. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом. Сплайсинг обычно производится РНК-белковым комплексом, который называется сплайсосома, но некоторые молекулы мРНК также могут катализировать сплайсинг без участия белков (см. рибозимы)^[15].

Транспорт

Другое различие между эукариотами и прокариотами — транспорт мРНК. Из-за того, что эукариотические транскрипция и трансляция пространственно разделены, эукариотические мРНК должны быть выведены из ядра в цитоплазму^[16]. Зрелые мРНК распознаются по наличию модификаций и покидают ядро через ядерные поры, в цитоплазме мРНК образует нуклеопротеидные комплексы — информосомы, в составе которых транспортируется к рибосомам. Многие мРНК содержат сигналы, которые определяют их локализацию^[17]. В нейронах мРНК должна транспортироваться из тела нейронов в дендриты, где трансляция происходит в ответ на внешние раздражители^[18].

Трансляция

Основная статья: Трансляция (биология)

Поскольку прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция рибосомой может начаться немедленно после транскрипции. Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена с транскрипцией и происходит ко-транскрипционно.

Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума. Таким образом, у эукариот трансляция не совмещена напрямую с транскрипцией.

Регуляция трансляции

Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции. У эукариот из-за необходимости процессинга и транспорта мРНК ответ на внешние стимулы занимает больше времени. Поэтому их синтез белка интенсивно регулируется на посттранскрипционном уровне. Не всякая зрелая мРНК транслируется, поскольку в клетке существуют механизмы регуляции экспрессии белков на посттранскрипционном уровне, например, РНК-интерференция.

Некоторые мРНК в действительности содержат два тандемных терминаторных кодона (стоп-кодона) — часто это кодоны различного типа на конце кодирующей последовательности^[19].

Строение зрелой мРНК

Схема строения зрелой эукариотической мРНК

Зрелая мРНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: «5'-кэп», 5'-нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3'-нетранслируемая область и 3'-полиадениновый «хвост».

5'-Кэп

Основная статья: Кэп

5'-кэп (от англ. cap — шапочка) — это модифицированный гуанозиновый нуклеотид, который добавляется на 5'- (передний) конец незрелой мРНК. Эта модификация очень важна для узнавания мРНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5'-нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищённым 5'-концом.

Кодирующие области

Кодирующие области состоят из кодонов — следующих непосредственно друг за другом последовательностей из трёх нуклеотидов, каждая из которых соответствует в генетическом коде определённой аминокислоте или началу и концу синтеза белка. Кодирующие области начинаются со старт-кодона и заканчиваются одним из трёх стоп-кодонов. Считывание последовательности кодонов и сборка на её основе последовательности аминокислот синтезируемой молекулы белка осуществляется рибосомами при участии транспортных РНК в процессе трансляции. В дополнение к кодированию белков, части кодирующих областей могут служить управляющими последовательностями. Например, вторичная структура РНК в некоторых случаях определяет результат трансляции.

Моноцистронная и полицистронная мРНК

мРНК называют моноцистронной, если она содержит информацию, необходимую для трансляции только одного белка (один цистрон). Полицистронная мРНК кодирует несколько белков. Гены (цистроны) в такой мРНК разделены интергенными, некодирующими последовательностями. Полицистронные мРНК характерны для прокариот и вирусов, у эукариот большая часть мРНК является моноцистронной^[20][21][22]. Полицистронные мРНК встречаются у эукариот и в митохондриях.

Нетранслируемые области

Нетранслируемые области — участки РНК, расположенные до старт-кодона и после стоп-кодона, которые не кодируют белок. Они называются 5'-нетранслируемая область и 3'-нетранслируемая область, соответственно. Эти области транскрибируются в составе того же самого транскрипта, что и кодирующий участок. Нетранслируемые области имеют несколько функций в жизненном цикле мРНК, включая регуляцию стабильности мРНК, локализации мРНК и эффективности трансляции. Стабильность мРНК может контролироваться 5'- и/или 3'-областью из-за различной чувствительности к ферментам, которые отвечают за деградацию РНК — РНКазам и регуляторным белкам, которые убыстряют или замедляют деградацию^[23].

3'-полиадениновый хвост

Длинная (часто несколько сотен нуклеотидов) последовательность адениновых оснований, которая присутствует на 3'-«хвосте» мРНК эукариот, синтезируется ферментом полиаденилатполимеразой. У высших эукариот поли(А)-хвост добавляется к транскрибированной РНК, которая содержит специфическую последовательность, AAUAAA. Важность этой последовательности можно увидеть на примере мутации в гене человеческого 2-глобина, которая изменяет AAUAAA на AAUAAG, что приводит к недостаточному количеству глобина в организме^[24].

Вторичная структура

«Стебель-петля» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

«Псевдоузел» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

‎

Кроме первичной структуры (последовательности нуклеотидов), мРНК обладает вторичной структурой. В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).

Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел^[25]

Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина, зависит от стебля-петли, расположенной в 3'-нетранслируемой области. Псевдоузлы служат для программированного изменения рамки считывания генов. Также вторичная структура служит для замедления деградации определенных мРНК^[26][27]

В вирусных мРНК сложные вторичные структуры (IRES) направляют трансляцию, не зависящую от узнавания кэпа и факторов инициации трансляции (см. «Инициация трансляции»).

Разрушение

Различные мРНК имеют различную продолжительность жизни (стабильность). В клетках бактерий молекула мРНК может существовать от нескольких секунд до более часа, а в клетках млекопитающих от нескольких минут до нескольких дней. Чем больше стабильность мРНК, тем больше белка может быть синтезировано с данной молекулы. Ограниченное время жизни мРНК клетки позволяет быстро изменять синтез белка в ответ на изменяющиеся потребности клетки. По прошествии некоторого времени, определяемого её нуклеотидной последовательностью, в частности, длиной полиаденинового участка на 3'-конце молекулы, мРНК разрушается на составляющие её нуклеотиды с участием РНКаз. К настоящему времени известно много механизмов деградации мРНК, некоторые из которых описаны ниже.

Деградация мРНК у прокариот

У прокариот стабильность мРНК намного меньше, чем у эукариот. Деградация мРНК в клетках прокариот происходит под действием комбинации рибонуклеаз, в том числе эндонуклеаз, 3'-экзонуклеаз и 5'-экзонуклеаз. В некоторых случаях малые молекулы РНК длиной от десятков до сотен нуклеотидов могут стимулировать деградацию мРНК, комплементарно спариваясь с соответствующими последовательностями в мРНК и содействуя рибонуклеазам^[28][29] . Недавно было показано, что бактерии имеют нечто вроде кэпа — трифосфат на 5'-конце^[30]. Удаление двух фосфатов оставляет монофосфат на 5'-конце, в результате чего мРНК расщепляется эндонуклеазой РНКаза E.

У эукариот

Как правило, разрушение начинается с удаления кэпа на 5'-конце, полиаденинового хвоста на 3'-конце, и затем нуклеазы одновременно разрушают мРНК в направлениях 5' ->3' и 3' ->5'. мРНК, в которой сигнал завершения синтеза белка, стоп-кодон, в результате ошибки транскрипции находится в середине кодирующей последовательности, подвержена особой быстрой форме деградации, НМД (nonsense-mediated decay).

См. также

• Антисмысловые РНК
• Генетический код
• Вирус
• Полисома
• 5'-кэп

Ссылки

• Жизненный цикл мРНК Флэш анимация
• База данных модификаций РНК  (англ.)
• База данных старт- и стоп-кодонов, нетранслируемых последовательностей  (англ.)
• Сайт, содержащий список программ по предсказанию свойств молекул РНК [1]  (англ.)

Литература

1. ↑ Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter Molecular Biology of the Cell. — 5. — Garland Science, 2008. — 1392 с. — ISBN 0815341059
2. ↑ Ичас М. Биологический код. — Москва: Мир, 1971.
3. ↑ Crick F. H. The genetic code - yesterday, today, and tomorrow // Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol.. — 1966. — Т. 31. — С. 1-9. — PMID 5237190.
4. ↑ Спирин А. С. Глава II. Информационная РНК и генетический код // Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка. — Москва: Высшая школа, 1986. — С. 9-11.
5. ↑ Belozersky A. N., Spirin A. S. A correlation between the compositions of deoxyribonucleic and ribonucleic acids // Nature. — 1958. — В. 4628. — Т. 182. — С. 111-112. — PMID 13566202.
6. ↑ Volkin E., Astrachan L. Intracellular distribution of labeled ribonucleic acid after phage infection of Escherichia coli // Virology. — 1956. — В. 4. — Т. 2. — С. 433-437. — PMID 13352773.
7. ↑ Volkin E., Astrachan L. Phosphorus incorporation in Escherichia coli ribo-nucleic acid after infection with bacteriophage T2 // Virology. — 1956. — В. 2. — Т. 2. — С. 149-161. — PMID 13312220.
8. ↑ Brenner S., Jacob F., Meselson M. An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis // Nature. — 1961. — Т. 190. — С. 576-581. — PMID 20446365.
9. ↑ Gros F., Hiatt H., Gilbert W., Kurland C. G., Risebrough R. W., Watson J. D. Unstable ribonucleic acid revealed by pulse labelling of Escherichia coli // Nature. — 1961. — Т. 190. — С. 581-585. — PMID 13708983.
10. ↑ Alberts Bruce Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition. — New York and London: Garland Science. — ISBN ISBN 0-8153-3218-1
11. ↑ Moore MJ, Proudfoot NJ (2009). «Pre-mRNA processing reaches back to transcription and ahead to translation». Cell 20: 688-700. PMID 19239889.
12. ↑ Rasmussen EB, Lis JT. (1993). «In vivo transcriptional pausing and cap formation on three Drosophila heat shock genes». Proc Natl Acad Sci U S A. 90: 7923—7927. PMID 8367444.
13. ↑ Topisirovic I., Svitkin Y. V., Sonenberg N., Shatkin A. J. (2011). «Cap and cap-binding proteins in the control of gene expression». Wiley Interdiscip Rev RNA 2 (2): 277—298. DOI:10.1002/wrna.52. PMID 21957010.
14. ↑ Maquat L. E. (2004). «Nonsense-mediated mRNA decay: splicing, translation and mRNP dynamics». Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5 (2): 89—99. DOI:10.1038/nrm1310. PMID 15040442.
15. ↑ Johnston W, Unrau P, Lawrence M, Glasner M, Bartel D (2001). «RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension». Science 292 (5520): 1319-25. PMID 11358999.
16. ↑ Paquin N, Chartrand P. (2008). «Local regulation of mRNA translation: new insights from the bud.». Trends Cell Biol 18: 105-11.
17. ↑ Ainger, Kevin; Avossa, Daniela; Diana, Amy S. & Barry, Christopher (1997), "«Transport and Localization Elements in Myelin Basic Protein mRNA»", The Journal of Cell Biology Т. 138 (5): 1077–1087, PMID 9281585, doi:10.1083/jcb.138.5.1077, <http://www.jcb.org/cgi/content/full/138/5/1077> 
18. ↑ Job, C. & Eberwine, J. (1912), "«Localization and translation of mRNA in dendrites and axons»", Nat Rev Neurosci Т. 2001 (12): 889–98, PMID 11733796, doi:10.1038/35104069, <http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11733796> 
19. ↑ Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.
20. ↑ Poyry, T.,Kaminski, A., Jackson R (2004). «What determines whertehr mammalian ribosomes resume scanning after translation of a short upstream open reading frame». Genes and Development 18: 62 -75.
21. ↑ Kozak, M. (1983), "«Comparison of initiation of protein synthesis in procaryotes, eucaryotes, and organelles»", Microbiological Reviews Т. 47 (1): 1–45, PMID 6343825, <http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=281560&blobtype=pdf>. Проверено 12 августа 2006. 
22. ↑ Niehrs C, Pollet N (1999), "«Synexpression groups in eukaryotes»", Nature Т. 402 (6761): 483–7, PMID 10591207, DOI 10.1038/990025 
23. ↑ Kozak, M. (1983). «Comparison of initiation of protein synthesis in procaryotes, eucaryotes, and organelles.». Microbiological Reviews 47 (1): 1-45. PMID 15680349.
24. ↑ Shaw, G. and Kamen, R. (1986). «A conserved AU sequence from the 3' untranslated region of GM-CSF mRNA mediates selective mRNA degradation». Cell. 46 (5): 659-67. PMID 15680349.
25. ↑ Козлов, Н. Н., Кугушев, Е. И., Сабитов, Д. И., Энеев, Т. М. «Компьютерный анализ процессов структурообразования нуклеиновых кислот».
26. ↑ Shabalina SA, Ogurtsov AY, Spiridonov NA (2006), "«A periodic pattern of mRNA secondary structure created by the genetic code»", Nucleic Acids Res. Т. 34 (8): 2428–37, PMID 16682450, DOI 10.1093/nar/gkl287 
27. ↑ Katz L, Burge CB (2003), "«Widespread selection for local RNA secondary structure in coding regions of bacterial genes»", Genome Res. Т. 13 (9): 2042–51, PMID 12952875, DOI 10.1101/gr.1257503 
28. ↑ Vogel J, Wagner EG (June 2007). «Target identification of small noncoding RNAs in bacteria». Curr. Opin. Microbiol. 10 (3): 262–70. DOI:10.1016/j.mib.2007.06.001. PMID 17574901.
29. ↑ Viegas SC, Arraiano CM (2008). «Regulating the regulators: How ribonucleases dictate the rules in the control of small non-coding RNAs». RNA Biol 5 (4): 230–43. PMID 18981732.
30. ↑ Deana, Atilio; Celesnik, Helena & Belasco, Joel G. (2008), "«The bacterial enzyme RppH triggers messenger RNA degradation by 5' pyrophosphate removal»", Nature Т. 451 (7176): 355–8, PMID 18202662, doi:10.1038/nature06475, <http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7176/abs/nature06475.html> 

Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.