Matriisiribonukleiinihappo ( mRNA , synonyymi - lähetti-RNA, mRNA ) - RNA , joka sisältää tietoa proteiinien primäärirakenteesta (aminohapposekvenssistä) [1] . mRNA syntetisoituu DNA :sta transkription aikana , minkä jälkeen sitä puolestaan käytetään translaation aikana templaattina proteiinisynteesiin. Siten mRNA:lla on tärkeä rooli geenien "ilmentymisessä" ( ekspressiossa ) .
Tyypillinen kypsä mRNA on pituudeltaan useista sadaista useisiin tuhansiin nukleotideihin . Pisimmät mRNA:t on havaittu (+)ss-RNA- viruksissa , kuten pikornaviruksissa - tulee kuitenkin muistaa, että näissä viruksissa mRNA muodostaa niiden koko genomin .
DNA:ta verrataan usein suunnitelmiin – ja samalla ohjeisiin – proteiinien valmistamiseksi. Tätä suunnittelu-tuotanto-analogiaa kehitettäessä voidaan sanoa, että jos DNA on "täydellinen sarja proteiinien valmistukseen tarkoitettuja suunnitelmia-ohjeita, jotka on säilytetty tehtaan johtajan kassakaapissa", niin mRNA on "väliaikainen työkopio suunnitelma-ohjeista yksiosainen, julkaistu Assembly Shopissa". On huomattava, että DNA ei sisällä yksityiskohtaista kuvaa aikuisesta organismista, vaan se on enemmän kuin "resepti" sen valmistukseen, jota sovelletaan vallitsevista olosuhteista riippuen geenin ilmentymisen aikana - osa täydestä ohjesarjasta on käytetty, ja osa ei ole.
1900-luvun puoliväliin mennessä oli kertynyt tieteellistä tietoa, jonka perusteella oli mahdollista päätellä, että proteiinien rakennetta koodaavat DNA-osat - geenit [2] . Varsinaista koodausmekanismia ei kuitenkaan ole vahvistettu.
J. Brachetin (1944) ja T. Kasperssonin (1947) työ osoitti, että solut, jotka syntetisoivat aktiivisesti proteiinia, sisältävät suuren määrän RNA:ta sytoplasmassa . Myöhemmin kävi ilmi, että tämä koskee pääasiassa ribosomaalista RNA :ta , ei mRNA:ta, jonka määrä on solussa suhteellisen pieni. Tämä havainto kuitenkin yhdisti DNA:n, RNA:n ja proteiinin, ja sillä oli todennäköisesti rooli ehdotuksessa RNA:n mahdollisesta roolista välittäjänä, joka pystyy siirtämään tietoa ytimessä olevasta DNA: sta proteiinin biosynteesilaitteistoon sytoplasmassa [3] .
Samaan aikaan löydettiin ribosomeja - ribonukleoproteiinihiukkasia , jotka syntetisoivat proteiineja. On ehdotettu, että geenit transkriptoidaan RNA-ribosomeihin, jotka toimivat templaatteina proteiinisynteesiin [4] . Kuitenkin vuosina 1956-1958 A. Belozersky ja A. Spirin suorittivat vertailevan analyysin useiden mikro-organismien DNA:n ja RNA:n nukleotidikoostumuksesta, ja osoittivat, että DNA:n koostumuksen suurilla vaihteluilla RNA:ssa oli erilaisia lajit olivat melko samanlaisia [5] . Tämä osoitti, että suurin osa solujen RNA:sta (rRNA) ei heijasta tietyn organismin DNA:n nukleotidikoostumusta eikä se voi toimia templaattina proteiinisynteesiä varten. Samaan aikaan kirjoittajat pystyivät havaitsemaan heikon positiivisen korrelaation DNA:n ja RNA:n koostumuksen välillä, ja lajien välillä oli suuria eroja. Tämä antoi heille mahdollisuuden ehdottaa, että rRNA:n lisäksi solussa on toinen pieni osa RNA:ta, joka voi välittää geenin ilmentymistä.
Riippumatta, E. Volkin ja L. Astrachan tulivat samanlaisiin johtopäätöksiin: he havaitsivat, että kun bakteerisolut infektoidaan T2- bakteriofagilla , ne siirtyvät täysin virusproteiinien synteesiin. Vaikka suurin osa isäntäsolun RNA:sta pysyy muuttumattomana, infektion jälkeen syntetisoituu pieni määrä lyhytikäistä RNA:ta, joka on nukleotidikoostumukseltaan samanlainen kuin faagi-DNA [6] [7] .
Vuonna 1961 useat tutkijaryhmät osoittivat suoraan lyhytikäisen RNA-lähettimen olemassaolon, joka on rakenteeltaan samanlainen kuin DNA:n geenit ja joka toimii mallina proteiinisynteesille sitoutumalla ribosomeihin [8] [9] .
mRNA-molekyylin elinkaari alkaa sen "lukemisesta" DNA-templaatista (transkriptio) ja päättyy sen hajoamiseen yksittäisiksi nukleotideiksi. mRNA-molekyyli voi läpikäydä erilaisia modifikaatioita elinkaarensa aikana ennen proteiinisynteesiä (translaatiota). Eukaryoottiset mRNA-molekyylit vaativat usein monimutkaista prosessointia ja kuljetusta ytimestä, mRNA-synteesipaikasta, ribosomeihin, joissa translaatio tapahtuu, kun taas prokaryoottiset mRNA-molekyylit eivät vaadi tätä ja RNA-synteesi liittyy proteiinisynteesiin [10] .
Transkriptio on prosessi, jossa geneettistä tietoa kopioidaan DNA:sta RNA:han, erityisesti mRNA:han. Transkription suorittaa RNA-polymeraasientsyymi , joka komplementaarisuuden periaatteen mukaisesti rakentaa kopion DNA-segmentistä, joka perustuu yhteen kaksoiskierteen ketjuista. Tämä prosessi on järjestetty samalla tavalla sekä eukaryooteissa että prokaryooteissa. Suurin ero pro- ja eukaryoottien välillä on, että eukaryooteissa RNA-polymeraasi liittyy mRNA:ta prosessoiviin entsyymeihin transkription aikana, joten mRNA:n prosessointi ja transkriptio voivat tapahtua niissä samanaikaisesti. Lyhytikäisiä raakoja tai osittain prosessoituja transkriptiotuotteita kutsutaan pre-mRNA:iksi ; täydellisen prosessoinnin jälkeen - kypsä mRNA .
Vaikka prokaryoottien ( bakteerien ja arkkien ) mRNA on harvinaisia poikkeuksia lukuun ottamatta välittömästi valmis translaatioon eikä vaadi erityistä prosessointia, eukaryoottiset pre-mRNA:t ovat kuitenkin laajojen modifikaatioiden kohteena. Joten samanaikaisesti transkription kanssa erityinen modifioitu nukleotidi ( cap ) lisätään RNA-molekyylin 5'-päähän, tietyt RNA-osat poistetaan ( splicing ) ja adeniininukleotidit lisätään 3'-päähän (niin. -kutsutaan polyadeniiniksi tai poly (A) - , tail) [11] . Tyypillisesti näitä transkription jälkeisiä muutoksia eukaryoottisessa mRNA:ssa kutsutaan mRNA:n käsittelyksi.
Korkki on ensimmäinen vaihe mRNA:n prosessoinnissa. Se tapahtuu, kun syntetisoitu transkripti saavuttaa 25–30 nukleotidin pituuden [12] . Välittömästi sen jälkeen, kun korkki on kiinnitetty transkriptin 5'-päähän, siihen sitoutuu cap-sitoutumiskompleksi CBC ( cap sitova kompleksi ) , joka pysyy sitoutuneena mRNA:han, kunnes käsittely on valmis ja on tärkeä kaikissa myöhemmissä vaiheissa [13] . ] . Silmukoinnin aikana ei-proteiinia koodaavat sekvenssit, joita kutsutaan introneiksi , poistetaan pre-mRNA:sta . Polyadenylaatio on välttämätön useimpien mRNA:iden kuljettamiseksi sytoplasmaan ja suojaa mRNA-molekyylejä nopealta hajoamiselta (lisää niiden puoliintumisaikaa). mRNA-molekyylit, joista puuttuu poly(A)-kohta (esimerkiksi virusmolekyylit), tuhoutuvat nopeasti eukaryoottisolujen sytoplasmassa ribonukleaasien vaikutuksesta .
Kun kaikki prosessoinnin vaiheet on saatu päätökseen, mRNA tarkistetaan ennenaikaisten lopetuskodonien puuttumisen varalta , minkä jälkeen siitä tulee täysimittainen templaatti translaatiota varten [14] . Sytoplasmassa korkin tunnistavat aloitustekijät , proteiinit, jotka vastaavat kiinnittymisestä ribosomin mRNA:han, polyadeniinihäntä sitoutuu erityiseen poly(A)-sitoutuvaan proteiiniin PABP1.
LiitosSilmukointi on prosessi, jossa ei-proteiinia koodaavia alueita, joita kutsutaan introneiksi , poistetaan pre-mRNA:sta ; jäljelle jääneet sekvenssit kantavat tietoa proteiinin rakenteesta ja niitä kutsutaan eksoneiksi . Joskus pre-mRNA-silmukointituotteet voidaan silmukoida useilla tavoilla, jolloin yksi geeni voi koodata useita proteiineja. Tätä prosessia kutsutaan vaihtoehtoiseksi liittämiseksi . Silmukoinnin suorittaa yleensä RNA-proteiinikompleksi, jota kutsutaan silmukointiosomiksi , mutta jotkin mRNA-molekyylit voivat myös katalysoida silmukointia ilman proteiinien osallistumista (katso ribotsyymit ) [15] .
KuljetusToinen ero eukaryoottien ja prokaryoottien välillä on mRNA-kuljetus. Koska eukaryoottinen transkriptio ja translaatio ovat spatiaalisesti erotettuja, eukaryoottiset mRNA :t on siirrettävä ytimestä sytoplasmaan [16] . Kypsät mRNA:t tunnistetaan modifikaatioiden läsnäolosta ja poistuvat ytimestä tumahuokosten kautta ; sytoplasmassa mRNA muodostaa nukleoproteiinikomplekseja - informosomeja , joissa se kuljetetaan ribosomeihin . Monet mRNA:t sisältävät signaaleja, jotka määrittävät niiden lokalisoinnin [17] . Neuroneissa mRNA on kuljetettava neuronien kehosta dendriitteihin , joissa translaatio tapahtuu vasteena ulkoisille ärsykkeille [18] .
mRNA-vienti suoritetaan kuljetustekijöiden kompleksin Mex67-Mtr2 (hiivassa) tai TAP-p15:n (monisoluisissa organismeissa) mukana [19] . Tämä kompleksi ei kuitenkaan sido mRNA:ta suoraan, vaan adapteriproteiinin Yra1 ( hiivassa ) tai ALY/REF (monisoluisissa organismeissa) kautta, joka on yksi TREX-proteiinikompleksin alayksiköistä. TREX puolestaan värvätään kompleksiin mRNA:n kanssa johtuen ALY/REF:n suorasta vuorovaikutuksesta capa sitovan kompleksin CBC80 -alayksikön kanssa [20] . Tämä mekanismi varmistaa kuljetuskompleksin kiinnittymisen lähelle mRNA:n 5'-päätä ja vastaavan kuljetussuunnan 5'-pään sytoplasmaan päin.
Eukaryoottiset mRNA:t käyvät läpi transkription jälkeisen metylaation . Yleisin modifikaatio on adenosiinitähteiden metylaatio N 6 -asemassa N 6 -metyyliadenosiinin (m 6 A) muodostumisella. Tätä prosessia katalysoivat N6 - adenosiinimetyylitransferaasientsyymit, jotka tunnistavat adenosiinitähteet konsensussekvensseistä GAC (70 % tapauksista) ja AAC (30 % tapauksista). Vastaavat demetylaasit katalysoivat käänteistä demetylaatioprosessia. Kun otetaan huomioon mRNA:n metylaatioprosessin palautuvuus ja dynaamisuus sekä lisääntynyt m6A:n pitoisuus pitkissä eksoneissa ja lopetuskodonien ympärillä , oletetaan, että mRNA:n metylaatiolla on säätelytoiminto [21] .
Koska prokaryoottista mRNA:ta ei tarvitse käsitellä ja kuljettaa, ribosomin translaatio voi alkaa välittömästi transkription jälkeen. Siksi voidaan sanoa, että translaatio prokaryooteissa sijoittuu samaan paikkaan transkription kanssa ja tapahtuu samanaikaisesti transkription kanssa .
Eukaryoottinen mRNA on prosessoitava ja toimitettava ytimestä sytoplasmaan, ja vasta sitten ribosomi voi kääntää sen. Translaatio voi tapahtua sekä ribosomeissa , jotka sijaitsevat sytoplasmassa vapaassa muodossa, että ribosomeissa, jotka liittyvät endoplasmisen retikulumin seinämiin . Siten eukaryooteissa translaatio ei ole suoraan kytketty transkriptioon.
Koska transkriptio yhdistetään translaatioon prokaryooteissa, prokaryoottisolu voi reagoida nopeasti ympäristön muutoksiin syntetisoimalla uusia proteiineja, eli säätely tapahtuu pääasiassa transkription tasolla . Eukaryooteissa vaste ulkoisiin ärsykkeisiin kestää kauemmin mRNA:n käsittelyn ja kuljetuksen tarpeesta johtuen. Siksi niiden proteiinisynteesi on intensiivisesti säädelty transkription jälkeisellä tasolla. Jokaista kypsää mRNA:ta ei transloida, koska solussa on mekanismeja proteiinin ilmentymisen säätelemiseksi transkription jälkeisellä tasolla, esimerkiksi RNA-interferenssi .
Jotkut mRNA:t sisältävät itse asiassa kaksi tandem - terminaattorikodonia (stop-kodonia) – usein nämä ovat erityyppisiä kodoneja koodaavan sekvenssin lopussa [22] .
Kypsä mRNA koostuu useista alueista, jotka eroavat toiminnaltaan: "5'-cap", 5'-transloitumaton alue, koodaava (transloitunut) alue, 3'-transloitumaton alue ja 3'-polyadeniini "häntä".
5'-cap ( englannin sanasta cap - cap) on modifioitu guanosiininukleotidi , joka lisätään kypsymättömän mRNA:n 5'- ( etu )päähän. Tämä modifikaatio on erittäin tärkeä mRNA:n tunnistamiselle translaation aloituksen aikana sekä suojaukselle 5'-nukleaaseja, entsyymejä vastaan, jotka tuhoavat nukleiinihappoketjuja, joissa on suojaamaton 5'-pää.
Koodaavat alueet koostuvat kodoneista , jotka ovat kolmen välittömästi toisiaan seuraavan nukleotidin sekvenssejä, joista jokainen vastaa geneettisessä koodissa tiettyä aminohappoa tai proteiinisynteesin alkua ja loppua. Koodaavat alueet alkavat aloituskodonilla ja päättyvät yhteen kolmesta lopetuskodonista. Kodonisekvenssin lukeminen ja sen syntetisoituneen proteiinimolekyylin aminohapposekvenssin perusteella kokoaminen suoritetaan ribosomien avulla kuljetus-RNA : iden osallistuessa translaatioprosessiin . Koodaavien proteiinien lisäksi osa koodaavista alueista voi toimia kontrollisekvensseinä. Esimerkiksi RNA:n sekundaarinen rakenne määrää joissakin tapauksissa translaation tuloksen.
MRNA:ta kutsutaan monokistroniseksi, jos se sisältää vain yhden proteiinin (yhden cistronin ) translaatioon tarvittavan tiedon . Monikistroninen mRNA koodaa useita proteiineja. Geenit (cistronit) sellaisessa mRNA:ssa erotetaan geenien välisillä, ei-koodaavilla sekvensseillä. Monikistroniset mRNA:t ovat ominaisia prokaryooteille ja viruksille ; eukaryooteissa suurin osa mRNA:sta on monokistronista [23] [24] [25] .
Transloitumattomat alueet ovat RNA:n alueita, jotka sijaitsevat ennen aloituskodonia ja lopetuskodonia, jotka eivät koodaa proteiinia. Niitä kutsutaan vastaavasti 5'-transloitumattomaksi alueeksi ja 3'-transloitumattomaksi alueeksi. Nämä alueet transkriptoidaan osana samaa transkriptiä kuin koodaava alue. Translatoimattomilla alueilla on useita toimintoja mRNA:n elinkierrossa, mukaan lukien mRNA:n stabiilisuuden säätely, mRNA:n lokalisaatio ja translaatiotehokkuus. mRNA:n stabiilisuutta voidaan kontrolloida 5'- ja/tai 3'-alueella, mikä johtuu erilaisesta herkkyydestä RNA:n hajoamisesta vastaaville entsyymeille - RNaasit ja säätelyproteiinit, jotka nopeuttavat tai hidastavat hajoamista [26] .
Pitkä (usein useita satoja nukleotideja) adeniiniemästen sekvenssi, joka on läsnä eukaryoottisen mRNA:n 3'-hännässä, syntetisoidaan polyadenylaattipolymeraasientsyymin toimesta. Korkeammissa eukaryooteissa poly(A)-häntä lisätään transkriptoituun RNA:han, joka sisältää spesifisen sekvenssin, AAUAAA. Tämän sekvenssin tärkeys näkyy esimerkissä ihmisen 2 - globiinigeenin mutaatiosta , joka muuttaa AAUAAA:n AAUAAG:ksi, mikä johtaa riittämättömään globiiniin kehossa [27] .
Primäärirakenteen (nukleotidisekvenssin) lisäksi mRNA:lla on sekundaarirakenne. Toisin kuin DNA:n, jonka sekundaarirakenne perustuu molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin (DNA:n kaksoiskierre muodostuu kahdesta lineaarisesta molekyylistä, jotka on liitetty toisiinsa koko pituudelta vetysidoksilla), mRNA:n sekundaarirakenne perustuu molekyylinsisäisiin vuorovaikutuksiin (lineaarinen molekyyli "laskoksia" ja vetysidoksia esiintyy saman molekyylin eri alueiden välillä).
Varsi, silmukka ja pseudoknot ovat esimerkkejä toissijaisesta rakenteesta. [28]
Toissijaiset rakenteet mRNA:ssa säätelevät translaatiota. Esimerkiksi epätavallisten aminohappojen , selenometioniinin ja pyrrolysiinin , liittäminen proteiineihin riippuu kantasilmukasta, joka sijaitsee 3'-transloitumattomalla alueella. Pseudoknotit muuttavat ohjelmallisesti geenien lukukehystä . Toissijainen rakenne myös hidastaa tiettyjen mRNA:iden hajoamista [29] [30]
Viruksen mRNA: issa monimutkaiset sekundaarirakenteet ( IRES ) ohjaavat translaatiota cap-tunnistus- ja translaation aloitustekijöistä riippumatta (katso " Käännöksen aloitus ").
Eri mRNA:illa on erilainen elinikä (stabiilisuus). Bakteerisoluissa mRNA-molekyyli voi esiintyä muutamasta sekunnista yli tuntiin ja nisäkässoluissa useista minuuteista useisiin päiviin. Mitä suurempi mRNA:n stabiilius on, sitä enemmän proteiinia voidaan syntetisoida tietystä molekyylistä. Solun mRNA:n rajoitettu elinikä mahdollistaa nopeat muutokset proteiinisynteesissä vasteena muuttuviin solutarpeisiin. Jonkin ajan kuluttua mRNA hajoaa sen nukleotidisekvenssin, erityisesti molekyylin 3'-pään polyadeniinialueen pituuden, perusteella sen muodostaviksi nukleotideiksi RNaasien osallistuessa . Tähän mennessä tunnetaan monia mRNA:n hajoamismekanismeja, joista osa kuvataan alla.
Prokaryooteissa mRNA:n stabiilisuus on paljon pienempi kuin eukaryooteissa. mRNA:n hajoaminen prokaryoottisoluissa tapahtuu ribonukleaasien yhdistelmän vaikutuksesta, mukaan lukien endonukleaasit, 3'-eksonukleaasit ja 5'-eksonukleaasit. Joissakin tapauksissa pienet RNA-molekyylit, joiden pituus vaihtelee kymmenistä satoihin nukleotideihin, voivat stimuloida mRNA:n hajoamista pariutumalla komplementaarisesti vastaaviin mRNA:n sekvensseihin ja edistämällä ribonukleaaseja [31] [32] . Vuonna 2008 osoitettiin, että bakteereissa on jotain korkkia, trifosfaattia 5'-päässä [33] . Kahden fosfaatin poistaminen jättää monofosfaatin 5'-päähän, mikä aiheuttaa mRNA:n pilkkomisen RNaasi E -endonukleaasin toimesta .
Tyypillisesti hajoaminen alkaa poistamalla kansi 5'-päästä, polyadeniinihäntä 3'-päästä, ja sitten nukleaasit hajottavat samanaikaisesti mRNA:ta 5' -> 3' ja 3' -> 5' -suunnissa. mRNA, jossa proteiinisynteesin loppuun saattamisen signaali, stop-kodoni, sijaitsee koodaavan sekvenssin keskellä transkriptiovirheen seurauksena, on erityisen nopean hajoamismuodon, NMD :n alainen .
Äskettäin on kehitetty erittäin herkkiä menetelmiä, joiden avulla on mahdollista analysoida "transkriptomi" näytteistä, joiden koko on 50-100 solua [34] [35] [36] .
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
RNA:n tyypit | |
---|---|
Proteiinin biosynteesi | |
RNA:n käsittely |
|
Geeniekspression säätely |
|
cis-säätelyelementtejä | |
Parasiittiset elementit | |
muu |
|
Nukleiinihappotyypit _ | ||||
---|---|---|---|---|
Typpipitoiset emäkset | ||||
Nukleosidit | ||||
Nukleotidit | ||||
RNA | ||||
DNA | ||||
Analogit | ||||
Vektorityypit _ |
| |||
|