Что такое пре рнк

пре-мРНК

Смотреть что такое «пре-мРНК» в других словарях:

МРНК — Основные этапы жизненного цикла мРНК эукариот Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним информационная РНК, иРНК) РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков[1]. мРНК синт … Википедия

мРНК — Основные этапы жизненного цикла мРНК эукариот Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним информационная РНК, иРНК) РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков … Википедия

Сигнал для сплайсинга мРНК — * сігнал для сплайсінга мРНК * mRNA splicing signal особая последовательность нуклеотидов в областях интрон экзонных стыков молекулы пре мРНК, узнаваемая ферментами сплайсинга … Генетика. Энциклопедический словарь

Рибонуклеиновые кислоты — Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновые кислоты (РНК) нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток… … Википедия

Рибонуклеиновая кислота — Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновая кислота (РНК) одна из трёх основных макромолекул (две другие … Википедия

РНК — Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновые кислоты (РНК) нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты … Википедия

РНК (биология) — Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновые кислоты (РНК) нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты … Википедия

Кэп — У этого термина существуют и другие значения, см. Кэп (значения). Кэп (5 кэп, кэп структура) (от англ. cap шапочка) один или несколько модифицированных нуклеотидов на 5 конце транскриптов, синтезированных РНК полимеразой II. С… … Википедия

Сплайсинг — У этого термина существуют и другие значения, см. Сплайсинг (значения). ‎Схема расположения кодирующих белок (экзоны, синий цвет) и некодирующих белок (интроны (серый) цвет 3 и 5 нетранслируемые области (зелёный) в гене человека CDK … Википедия

ИРНК — Основные этапы жизненного цикла мРНК эукариот Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним информационная РНК, иРНК) РНК, отвечающая за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на… … Википедия

Источник

Что необходимо знать о мРНК-вакцинах: 5 позиций

В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины

В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины для борьбы с пандемией Covid-19 – одна из них произведена Pfizer и BioNTech, другая – компанией Moderna. Испытания показали эффективность этих вакцин на уровне не менее чем 94%.

1. Технология мРНК вакцин не так молода, как кажется

Классический механизм работы вакцин (например, против полиомиелита и гриппа) заключается в презентации иммунной системе инактивированных частиц вируса. Другие вакцины (например, против гепатита B) используют отдельно взятый белок, являющийся частью инфекционного агента, чтобы вызвать схожий иммунный ответ.

мРНК-вакцины работают по другому принципу, «обманывая» иммунную систему таким образом, что РНК (в основном матричная мРНК) кодирует белок, который продуцируется в клетке путем трансляции и представляется иммунной системе; он действует как антиген. Иммунная система учится избирательно бороться с клетками, экспрессирующими такие антигены, такими как клетки-хозяева, инфицированные вирусами, или опухолевые клетки.

Хотя вакцины от Pfizer/BioNTech и Moderna – первые препараты, одобренные в клинической практике, сама технология мРНК-вакцин существует относительно давно. Первые испытания в онкологии с использованием схожих технологий берут свое начало еще в 2011 году.

2. мРНК-вакцины не изменяют ДНК

Существуют абсолютно необоснованные опасения, что мРНК-вакцины способны изменять ДНК. На самом же деле мРНК не входит в ядро клетки, а после своего введения биодеградирует в течение нескольких дней. Именно поэтому для формирования полноценного иммунного ответа необходимо 2 инъекции препарата.

3. мРНК-вакцины имеют высокую специфичность

Вирус SARS-CoV-2 имеет достаточно сложную структуру и его различные части стимулируют иммунную систему на образование нейтрализующих антител, которые не всегда способны эффективно элиминировать инфекцию. мРНК-вакцины стимулируют иммунный ответ к спайк-белку вируса, являющегося только частью вирусной мембраны.

4. Разработчики и эксперты не «срезали углы» во время клинических испытаний

Испытания вакцин начались с доклинической фазы, проводимой на животных, а затем постепенно переходили на 1-ую, 2-ую и 3-ю фазы. Например, 3-я фаза вакцины от Pfizer/BioNTech включает более 40 000 человек, исследования эффективности и безопасности будут продлжаться следующие 2 года.

Основные проблемы, связанные с использованием вакцины, обычно возникают в первые 2 месяца. Тем не менее, не исключены редкие побочные эффекты на больших выборках в миллионы людей, поэтому за вакцинированными необходимо пристальное наблюдение, особенно с учетом инновационной природы технологии.

5. Вакцина запускает воспалительные реакции

Частично вакцина работает путем индуцирования локальных иммунных реакций, поэтому воспалительные признаки в месте инъекции и небольшой дискомфорт в первые дни – вполне нормальное явление.

Источник

Что отличает вакцины против COVID-19 на основе информационной РНК (иРНК)?

Специалист по инфекционным заболеваниям Тобиас Холь объясняет, что вакцина на основе информационной РНК побуждает собственные клетки организма вырабатывать фрагмент белка, обнаруженный в возбудителе COVID-19, и это вызывает защитную иммунную реакцию.

В вакцинах Pfizer-BioNTech (Comirnaty®) и Moderna против COVID-19 использована информационная рибонуклеиновая кислота (иРНК), вызывающая иммунную реакцию, которая может защитить от заражения в будущем. Специалист центра Memorial Sloan Kettering по инфекционным заболеваниям Тобиас Холь рассказывает о технологии изготовления вакцин на основе иРНК и о том, как они могут изменить дальнейший ход развития пандемии.

Каков механизм действия вакцин против COVID-19 на основе информационной РНК (иРНК)?

Традиционные вакцины предполагают введение в организм ослабленного или инактивированного возбудителя инфекции. Вакцины на основе информационной РНК (иРНК), например вакцины против COVID-19 Pfizer и Moderna, учат клетки вырабатывать белок, который запускает иммунную реакцию в случае заражения. После введения вакцины в плечо иРНК попадает в клетки вблизи места инъекции и побуждает их начать выработку того же белка, который обнаружен в возбудителе COVID-19. Иммунная система распознает этот белок и начинает вырабатывать антитела, которые могут бороться с вирусом в случае последующего заражения вакцинированного человека.

Правда: ни одна из вакцин никоим образом не взаимодействует с ДНК и не изменяет ее и, следовательно, не может вызывать рак. Информационная РНК — это не то же самое, что ДНК, поэтому она не может объединяться с ДНК и изменять генетический код. Информационная РНК хрупкая — передав инструкции вашим клеткам, она разрушается и выводится из организма (примерно через 72 часа). Информационная РНК даже не попадает в ядро клетки — ту часть, где содержится ДНК. Следовательно, миф о том, что вакцина на основе иРНК может каким-то образом блокировать активность генов, подавляющих раковые опухоли, не соответствует действительности.

Вакцина против COVID-19 не подвергает вас воздействию вируса, вызывающего COVID-19.

Есть ли другие вакцины на основе иРНК?

Это первые вакцины на основе иРНК, которые будут выпущены и испытаны в ходе крупномасштабных клинических исследований 3 фазы с участием человека. Преимущество технологии использования иРНК в сравнении с традиционными подходами состоит в том, что она обеспечивает более быструю разработку и расширение производства. Разработка вакцин традиционно длилась десятилетиями. То, что мы имеем на сегодняшний день, — невероятное научное достижение. Год назад большинство людей даже не слышали об этом заболевании, а сейчас уже началась вакцинация против него среди работников сферы здравоохранения.

Почему вакцины на основе иРНК необходимо хранить при такой низкой температуре?

Если иРНК не хранится при низкой температуре, она легко и быстро распадается. После введения в организм это не представляет проблемы, так как иРНК не нужно много времени, чтобы выполнить свою функцию. Однако может возникнуть необходимость сохранять вакцины в стабильном состоянии в течение нескольких дней или даже недель, прежде чем они будут введены. С традиционными вакцинами это практически не имело значения. Ослабленные или инактивированные версии вируса могут оставаться стабильными в течение более длительного времени без низких температур.

В ходе клинических исследований вакцина Pfizer хранилась при –70 градусах Цельсия (–94 градуса по Фаренгейту), что предполагает использование сухого льда. Вакцина Moderna хранилась при –20 градусах Цельсия (–4 градуса по Фаренгейту), что ближе к температуре в обычном холодильнике. Обе вакцины по-прежнему следует хранить замороженными — одобрение вакцины происходит на основании данных, полученных в ходе клинических исследований, поэтому необходимо, чтобы условия оставались такими же.

Почему вакцины вводятся двумя дозами с интервалом в несколько недель?

Двухдозовый подход распространен в случае многих вакцин для детей. Идея в том, что первая прививка подготавливает иммунную систему, помогая ей распознать вирус, а вторая усиливает иммунную реакцию. Вторая прививка вакциной Pfizer проводится через три недели после первой; для вакцины Moderna этот интервал составляет четыре недели. Важно, чтобы обе прививки были сделаны одной и той же вакциной, и чтобы были соблюдены те же процедуры, которые обеспечили такие успешные результаты в ходе клинических исследований.

Как люди могут быть уверены в том, что эти вакцины на основе иРНК эффективны и безопасны?

Сейчас мы располагаем данными в отношении десятков тысяч людей, которые свидетельствуют о более чем 90%-ной эффективности этих вакцин в том, что касается предотвращения инфекции.

У некоторых людей возникают легкие или умеренные побочные эффекты, но длятся они недолго — около одного–трех дней. Наиболее распространенные побочные эффекты включают боль в месте инъекции, слабость (чувство усталости), головную боль, ломоту и повышенную температуру. Чаще они возникают после второй прививки, и вам, возможно, придется больше отдыхать. Серьезные побочные эффекты возникают редко и поддаются лечению. Специалисты Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (US Food and Drug Administration) и Центра контроля и профилактики заболеваний (Centers for Disease Control and Prevention) до сих пор наблюдают — и будут продолжать наблюдать — за состоянием участников клинических исследований, а также граждан, которые прошли вакцинацию.

Людям важно понимать, что эти данные проверяются независимыми группами специалистов, не связанными с фармацевтическими компаниями, производящими препараты. Это специалисты, которые не имеют никакой заинтересованности в разработке или коммерческой реализации вакцин. Лично я без колебаний пройду вакцинацию любой из этих вакцин. Я собираюсь рекомендовать своим родственникам и коллегам сделать то же самое.

Вакцины являются среднесрочным или долгосрочным решением проблемы пандемии. Однако мы не можем отказаться от краткосрочных мер, об эффективности которых нам уже известно, таких как ношение маски, социальное дистанцирование и мытье рук. Мы уже видим свет в конце тоннеля.

Источник

ПРОЦЕССИНГ

Процессингомназывают посттранскрипционную модификацию первичных транскриптов.

Образующиеся в результате транскрипции первичные РНКтранскрипты, должны претерпеть ряд модификаций, которые превращают их в зрелые РНК, пригодные к выполнению соответствующих функций.

Первичные продукты транскрипции.

а) Пре-мРНК Эти цепи обычно в несколько раз длиннее, чем зрелые мРНК. Действительно, они, во-первых, включают транскрипты спенсеров (представляющих собой регуляторные участки, отделы со структурной ролью;

Во-вторых, кодирующая часть пре-мРНК, как и в исходном гене, прерывается интронами. При этом интронные последовательности нередко образуют «шпильки».

В большинстве случаев пре-мРНК эукариот несут информацию о синтезе лишь одной пептидной цепи, т. е. дают при созревании только одну молекулу мРНК.

Среди исключений из этого правила — гистоновая пре-мРНК. Известно, что кластер гистоновых генов транскрибируется как единое целое, а при созревании пре-мРНК из последней «нарезаются» 5 разных гистоновых мРНК.

Наличие подобных исключений — еще одно отличие пре-мРНК от мРНК: все зрелые мРНК эукариот, без каких-либо исключений, являются моноцистроннымми.

Эти последовательности разделены спейсерами, но не содержат интронов. Кроме того, в них нет модифицированных нуклеотидов, содержащихся в зрелых рРНК.

в) Пре-тРНК. В отличие от пре-рРНК, все пре-тРНК (за единичным исключением у бактерий) содержат последовательности лишь одной тРНК.

При этом уже на уровне пре-тРНК образуется типичная структура «кленового листа». Однако последняя еще отличается от окончательной: в ней

— имеется ряд дополнительных последовательностей (с обеих концов и в середине молекулы),

— отсутствуют минорные нуклеотиды,

— не сформирована типичная последовательность акцепторной петли (ЦЦА),

— антикодон не занимает своего «правильного» положения.

Из всего вышесказанного ясно, что непосредственные продукты транскрипции должны подвергаться существенным изменениям, для того, чтобы превратиться в функционально активные цепи РНК.

У прокариот процессинг имеет ограниченный характер, тогда как у эукариот он представляет собой достаточно сложно организован. Наиболее детально изучен процессинг мРНК эукариот, который включает три главных момента: сплайсинг, кэпирование 5′-конца и полиаденилирование З’-конца первичных транскриптов.

Источник

Обо всех РНК на свете, больших и малых

Метафора, лежащая в основе названия явления РНК-интерференции, отсылает к опыту с петунией, когда искусственно введённые в растение гены синтетазы розового и фиолетового пигментов не увеличили интенсивность окраски, а, наоборот, уменьшили её. Аналогично, в «обычной» интерференции наложение двух волн может приводить к взаимному «гашению».

Автор

Редакторы

Ещё двадцать лет назад молекулярная биология не знала такого удивительного феномена, как РНК-интерференция. Сегодня же у учёных не вызывает сомнения, что это явление принимает участие в широчайшем спектре физиологических процессов у всех живых существ, а её молекулярные посредники — короткие РНК — по разнообразию и специфичности не уступают антителам крови. У простейших РНК-интерференция обеспечивает иммунитет, в частности — защиту от вирусов. У более развитых организмов этот механизм включается в борьбу не только (и не столько) с внешними, но и с внутригеномными паразитами, а также становится важнейшим регулятором активности генов. На сегодняшний день идентифицированы уже тысячи коротких регуляторных РНК, а механизм РНК-интерференции изучен очень подробно, однако бесспорно и то, что мы наблюдаем пока только верхушку этого айсберга.

В живой клетке поток информации между ядром и цитоплазмой никогда не иссякает, однако понимание всех его «завихрений» и расшифровка закодированной в нём информации — воистину титаническая задача. Одним из важнейших рывков в биологии прошлого века можно считать открытие молекул информационных (или матричных) РНК (иРНК или мРНК), которые служат посредниками, переносящими информационные «сообщения» из ядра (с хромосом) в цитоплазму. Определяющая роль РНК в синтезе белков была предсказана ещё в 1939 году в работе Торбьёрна Касперссона (Torbjörn Caspersson), Жана Брачета (Jean Brachet) и Джека Шульца (Jack Schultz), а в 1971 году Джордж Марбайс (George Marbaix) запустил синтез гемоглобина в ооцитах лягушки, сделав инъекцию впервые выделенной матричной РНК кролика, кодирующей этот белок [1].

В 1956–1957 годах в Советском Союзе А. Н. Белозерский и А. С. Спирин независимо доказали существование мРНК, а также выяснили, что основную массу РНК в клетке составляет отнюдь не матричная, а рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК — второй «главный» вид клеточной РНК — образует «скелет» и функциональный центр рибосом у всех организмов; именно рРНК (а не белки) регулирует основные этапы белкового синтеза. Одновременно был описан и изучен и третий «главный» вид РНК — транспортные РНК (тРНК), которые в комплексе с двумя другими — мРНК и рРНК — формируют единый белок-синтезирующий комплекс. Согласно достаточно популярной гипотезе «мира РНК», именно эта нуклеиновая кислота лежала у самых истоков жизни на Земле [2].

В связи с тем, что РНК значительно более гидрофильна по сравнению с ДНК (за счет замены дезоксирибозы на рибозу), она более лабильна и может относительно свободно перемещаться в клетке, а значит и доставлять короткоживущие реплики генетической информации (мРНК) к месту, где начинается белковый синтез. Однако стоит отметить и связанное с этим «неудобство» — РНК очень нестабильна. Она намного хуже, чем ДНК, хранится (даже внутри клетки) и деградирует при малейшей перемене условий (температура, рН). Кроме «собственной» нестабильности, большой вклад принадлежит рибонуклеазам (или РНКазам) — классу расщепляющих РНК ферментов, очень стабильных и «вездесущих» — даже кожа рук экспериментатора содержит достаточное количество этих ферментов, чтобы перечеркнуть весь эксперимент. Из-за этого работать с РНК намного сложнее, чем с белками или ДНК — последняя вообще может храниться сотни тысяч лет практически без повреждений [3].

Фантастическая аккуратность при работе, тридисстилят, стерильные перчатки, одноразовая лабораторная посуда — всё это необходимо для предотвращения деградации РНК, однако соблюдение таких стандартов не всегда было возможным. Поэтому долгое время на короткие «обломки» РНК, неизбежно загрязнявшие растворы, попросту не обращали внимания. Однако со временем стало ясно, что, несмотря на все усилия по поддержанию стерильности рабочей области, «обломки» закономерно продолжали обнаруживаться, а потом выяснилось, что в цитоплазме всегда присутствуют тысячи коротких двуцепочечных РНК, выполняющих вполне определённые функции, и абсолютно необходимых для нормального развития клетки и организма.

Принцип РНК-интерференции

Сегодня изучение малых регуляторных РНК является одной из наиболее бурно развивающихся областей молекулярной биологии. Обнаружено, что все короткие РНК выполняют свои функции на основе явления, названного РНК-интерференцией (суть этого феномена заключается в подавлении экспрессии гена на стадии транскрипции или трансляции при активном участии малых молекул РНК). Очень схематично механизм РНК-интерференции показан на врезке «Основы РНК-интерференции».

Основы РНК-интерференции

Рисунок 1. РНК-интерференция

Двуцепочечные молекулы РНК (дцРНК) нехарактерны для нормальных клеток, но они являются обязательным этапом жизненного цикла многих вирусов (рис. 1). Специальный белок Dicer, обнаружив в клетке дцРНК, «режет» её на небольшие фрагменты. Антисмысловая цепь такого фрагмента, которую уже можно называть короткой интерферирующей РНК (киРНК, от siRNA — small interference RNA), связывается комплексом белков под названием RISC (RNA-induced silencing complex), центральный элемент которого — эндонуклеаза семейства Argonaute. Связывание с киРНК активирует RISC и запускает в клетке поиск молекул ДНК и РНК, комплементарных «шаблонной» киРНК. Судьба таких молекул — быть уничтоженными или инактивированными комплексом RISC.

Подытоживая, короткие «обрезки» чужеродной (в том числе, введённой намеренно) двуцепочечной РНК служат «шаблоном» для широкомасштабного поиска и уничтожения комплементарных мРНК (а это эквивалентно подавлению экспрессии соответствующего гена), — причем, не только в одной клетке, но и в соседних. Для многих организмов — простейших, моллюсков, червей, насекомых, растений — этот феномен является одним из основных способов иммунной защиты против инфекций.

В 2006 году Эндрю Файер (Andrew Fire) и Крейг Мелло (Craig Mello) получают Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытие явления РНК-интерференции — механизма сайленсинга генов при участии дцРНК». Хотя сам феномен РНК-интерференции был описан задолго до того (ещё в начале 80-х), именно работы Файера и Мелло в общих чертах определили регуляторный механизм малых РНК [4] и обрисовали неведомую до той поры область молекулярных исследований. Вот основные результаты их работ:

Эти результаты заложили фундамент целому направлению современной молекулярной биологии — РНК-интерференции — и определили вектор работы множества исследовательских групп по всему миру не на один десяток лет. К текущему моменту обнаружено три большие группы малых РНК, которые играют на молекулярном поле за «команду РНК-интерференции». Познакомимся с ними подробнее.

Игрок № 1 — короткие интерферирующие РНК

Специфичность РНК-интерференции определяется короткими интерферирующими РНК (киРНК) — небольшими двуцепочечными молекулами РНК с чётко определённой структурой (см. врезку 2). киРНК эволюционно наиболее ранние, и распространены шире всего у растений, одноклеточных организмов и беспозвоночных [5]. У позвоночных в норме киРНК практически не обнаружены, потому что их вытеснили более поздние «модели» коротких РНК (см. далее).

Короткие интерферирующие РНК

киРНК — «шаблоны» для поиска в цитоплазме и уничтожения молекул мРНК — имеют длину 20–25 нуклеотидов и «особую примету»: по 2 неспаренных нуклеотида на 3′-концах и фосфорилированные 5′-концы. Анти-смысловая киРНК способна (не сама, конечно, а с помощью RISC-комплекса) распознавать мРНК и специфически вызывать её деградацию (рис. 2): разрез целевой мРНК всегда происходит точно в месте, комплементарном 10 и 11 нуклеотидам анти-смысловой цепи киРНК. Пример киРНК (к последовательности гена фермента люциферазы из клеток светлячка):

Рисунок 2. Механизм «интерференции» мРНК и киРНК. «Интерферирующие» короткие молекулы РНК могут как попадать в клетку извне, так и «нарезаться» уже на месте из более длинных двуцепочечных РНК. Основной белок, необходимый для «нарезания» дцРНК, — эндонуклеаза Dicer. «Выключение» гена по механизму интерференции осуществляется киРНК совместно с белковым комплексом RISC, который состоит из трёх белков — эндонуклеазы Ago2 и двух вспомогательных белков PACT и TRBP. Позже было обнаружено, что комплексы Dicer и RISC могут использовать в качестве «затравки» не только дцРНК, но и одноцепочечную РНК, формирующую двуцепочечную шпильку, а также готовую киРНК (последняя минует стадию «нарезания» и сразу связывается с RISC).

Функции киРНК в клетках беспозвоночных достаточно разнообразны. Первая и основная — это иммунная защита. «Традиционная» иммунная система (лимфоциты + лейкоциты + макрофаги) присутствует лишь у сложных многоклеточных организмов. У одноклеточных же, беспозвоночных и растений (у которых такой системы либо нет, либо она находится в зачаточном состоянии) иммунная защита строится на основе РНК-интерференции. Иммунитет, основанный на РНК-интерференции, не нуждается в сложных органах «тренировки» предшественников иммунных клеток (селезенка, тимус); в то же время, многообразие теоретически возможных последовательностей коротких РНК (4 21 вариантов) соотносимо с числом возможных белковых антител высших животных. Кроме того, киРНК синтезируются на основе инфицировавшей клетку «враждебной» РНК, а значит, в отличие от антител, они сразу «затачиваются» под конкретный тип инфекции. И хотя вне клетки защита на основе РНК-интерференции не работает (по крайней мере, таких данных пока нет), внутриклеточный иммунитет она обеспечивает более чем удовлетворительно.

Прежде всего, киРНК создаёт антивирусный иммунитет, уничтожая мРНК или геномную РНК инфекционных организмов (например, так киРНК и были открыты у растений [6]). Введение вирусной РНК вызывает мощную амплификацию специфических киРНК на основе молекулы-затравки — самой вирусной РНК. Кроме того, киРНК подавляют экспрессию различных мобильных генетических элементов (МГЭ), а значит, обеспечивает защиту и от эндогенных «инфекций». Мутации в генах RISC-комплекса часто ведут к повышению нестабильности генома из-за высокой активности МГЭ; киРНК может быть ограничителем экспрессии собственных генов, срабатывая в ответ на их гиперэкспрессию. Регуляция работы генов может происходить не только на уровне трансляции, но и во время транскрипции — через метилирование генов по гистону Н3.

В современной экспериментальной биологии значение РНК-интерференции и коротких РНК трудно переоценить. Разработана технология «выключения» (или нокдауна) отдельных генов in vitro (на культурах клеток) и in vivo (на эмбрионах), что уже стало стандартом de facto при изучении любого гена. Иногда даже, чтобы установить роль отдельных генов в каком-нибудь процессе, проводят систематическое «выключение» всех генов по очереди [7].

Возможностью применения киРНК заинтересовались и фармацевты, поскольку способность направленной регуляции работы отдельных генов сулит неслыханные перспективы в лечении массы заболеваний. Небольшой размер и высокая специфичность действия обещают высокую эффективность и низкую токсичность лекарств на основе киРНК; однако решить проблему доставки киРНК к больным клеткам в организме пока не удалось — виной тому хрупкость и недолговечность этих молекул. И хотя сейчас десятки коллективов пытаются найти способ направлять эти «волшебные пули» точно в цель (внутрь больных органов), видимых успехов они пока не достигли. Кроме этого, есть и другие сложности. Например, в случае антивирусной терапии высокая избирательность действия киРНК может оказать «медвежью услугу» — поскольку вирусы быстро мутируют, изменённый штамм очень быстро потеряет чувствительность к киРНК, подобранной в начале терапии: известно, что замена всего лишь одного нуклеотида в киРНК приводит к существенному снижению эффекта интерференции.

В этом месте стоит напомнить ещё раз — киРНК были обнаружены только у растений, беспозвоночных и одноклеточных; хотя гомологи белков для РНК-интерференции (Dicer, RISC-комплекс) присутствуют и у высших животных, киРНК привычными методами не обнаруживались. Каково же было удивление, когда искусственно введённые синтетические аналоги киРНК вызывали сильный специфический дозозависимый эффект в культурах клеток млекопитающих! Это означало, что в клетках позвоночных РНК-интерференция не заместилась более сложными системами иммунитета, а эволюционировала вместе с организмами, превратившись во что-то более «продвинутое». Следовательно, у млекопитающих надо было искать не точные аналоги киРНК, а их эволюционных преемников.

Игрок № 2 — микроРНК

Действительно, на основе эволюционно достаточно древнего механизма РНК-интерференции у более развитых организмов появились две специализированные системы управления работой генов, использующие каждая свою группу малых РНК — микроРНК (microRNA) и пиРНК (piRNA, Piwi-interacting RNA). Обе системы появились ещё у губок и кишечнополостных и эволюционировали вместе с ними, вытеснив киРНК и механизм «голой» РНК-интерференции. Их роль в обеспечении иммунитета снижается, поскольку эту функцию взяли на себя более совершенные механизмы клеточного иммунитета, — в частности, интерфероновая система. Однако эта система настолько чувствительна, что срабатывает и на саму киРНК: появлении в клетке млекопитающих малых двуцепочечных РНК запускает «сигнал тревоги» (активирует секрецию интерферона и вызывает экспрессию интерферон-зависимых генов, что блокирует все процессы трансляции целиком). В этой связи механизм РНК-интерференции у высших животных опосредован в основном микроРНК и пиРНК — одноцепочечными молекулами со специфической структурой, которая не обнаруживаются интерфероновой системой.

По мере усложнения генома микроРНК и пиРНК принимали всё большее участие в регуляции транскрипции и трансляции. Со временем, они превратились в дополнительную, точную и тонкую систему регуляции генома. В отличие от киРНК, микроРНК и пиРНК (открыты в 2001 году, см. врезку 3) не производятся из чужеродных двуцепочечных молекул РНК, а изначально закодированы в геноме организма-хозяина [8].

Встречайте: микроРНК

Предшественник микроРНК транскрибируется с обеих цепей геномной ДНК РНК-полимеразой II, в результате чего появляется промежуточная форма — при-микроРНК, — несущая признаки обычной мРНК — m 7 G-кэп и полиА-хвост. В этом предшественнике образуется петля с двумя одноцепочечными «хвостами» и несколькими неспаренными нуклеотидами в центре (рис. 3). Такая петля подвергается двухстадийному процессингу (рис. 4): вначале эндонуклеаза Drosha отрезает от шпильки одноцепочечные «хвосты» РНК, после чего вырезанная шпилька (пре-микроРНК) экспортируется в цитоплазму, где узнается Dicer’ом, вносящим ещё два разреза (вырезается двуцепочечный участок, обозначенный цветом на рис. 3). В таком виде зрелая микроРНК, аналогично киРНК, включается в состав комплекса RISC.

Рисунок 3. Структура двуцепочечной молекулы-предшественника микроРНК. Основные особенности: наличие консервативных последовательностей, которые формируют шпильку; наличие комплементарной копии (микроРНК*) с двумя «лишними» нуклеотидами на 3′-конце; специфическая последовательность (2–8 п. н.), формирующая сайт узнавания для эндонуклеаз. Сама микроРНК выделена красным цветом — именно её и вырезает Dicer.

Рисунок 4. Общий механизм процессинга микроРНК и реализации её активности.

Механизм действия многих микроРНК аналогичен действию киРНК: короткая (21–25 нуклеотидов) одноцепочечная РНК в составе белкового комплекса RISC с высокой специфичностью связывается с комплементарным участком в 3′-нетранслируемой области мРНК-мишени. Связывание приводит к расщеплению мРНК белком Ago. Однако активность микроРНК (по сравнению с киРНК) уже более дифференцирована — если комплементарность не абсолютная, целевая мРНК может не деградировать, а только обратимо блокироваться (трансляции не будет). Тот же RISC-комплекс может использовать и искусственно введённые киРНК. Это объясняет, почему киРНК, сделанные по аналогии с простейшими, активны и у млекопитающих.

Таким образом, мы можем дополнить иллюстрацию механизма действия РНК-интерференции у высших (билатерально-симметричных) организмов, объединив на одном рисунке схему действия микроРНК и биотехнологически введённых киРНК (рис. 5).

Рисунок 5. Обобщённая схема действия искусственных микроРНК и киРНК (искусственные киРНК вводятся в клетку с помощью специализированных плазмид — targeting siRNA vector).

Функции микроРНК

Физиологические функции микроРНК крайне разнообразны — фактически, они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза. микроРНК не отменяют, а дополняют «классическую» схему регуляцию генов (индукторы, супрессоры, компактизация хроматина и т. д.). Кроме того, синтез самих микроРНК сложным образом регулируются (определенные пулы микроРНК могут включаться интерферонами, интерлейкинами, фактором некроза опухолей α (ФНО-α) и многими другими цитокинами). В результате вырисовывается потрясающая по своей сложности и гибкости многоуровневая сеть настройки «оркестра» из тысяч генов, но и этим дело не заканчивается.

микроРНК более «универсальны», чем киРНК: «подопечные» гены не обязательно должны быть на 100% комплементарны — регуляция осуществляется и при частичном взаимодействии. На сегодня одна из самых горячих тем в молекулярной биологии — поиск микроРНК, которые выступают альтернативными регуляторами известных физиологических процессов. Например, уже описаны микроРНК, участвующие в регуляции клеточного цикла и апоптоза у растений, дрозофилы и нематоды; у человека микроРНК регулируют иммунную систему [9] и развитие гематопоэтических стволовых клеток [10]. Применение технологий на основе биочипов (micro-array screening) показало, что на различных этапах жизни клеток включаются и выключаются целые пулы малых РНК. Для биологических процессов идентифицировали десятки специфичных микроРНК, уровень экспрессии которых в определённых условиях изменяется в тысячи раз, подчёркивая исключительную управляемость этих процессов.

До недавнего времени считалось, что микроРНК только подавляют — полностью или частично — работу генов. Однако недавно оказалось: действие микроРНК может кардинально отличаться в зависимости от состояния клетки! В активно делящейся клетке микроРНК, связавшись с комплементарной последовательностью в 3′-участке мРНК, ингибирует синтез белка (трансляцию). Однако в состоянии покоя или стресса (например, при росте на бедной среде) то же самое событие приводит к прямо противоположному эффекту — усилению синтеза целевого белка [11]!

Эволюция микроРНК

Количество разновидностей микроРНК у высших организмов ещё до конца не установлено — по некоторым данным, оно превосходит 1% от числа белок-кодирующих генов (у человека, например, говорят о 700 микроРНК, и это число постоянно растет). микроРНК регулируют активность около 30% всех генов (мишени для многих из них пока не известны), причём существуют как повсеместно распространённые, так и тканеспецифичные молекулы — например, один такой важный пул микроРНК регулирует созревание стволовых клеток крови.

Широкий профиль экспрессии в разных тканях разных организмов и биологическая распространённость микроРНК говорит об эволюционно древнем происхождении. Впервые микроРНК обнаружили у нематод, и долгое время потом считали, что эти молекулы появляются лишь у губок и кишечнополостных; однако позже их открыли и в одноклеточных водорослях [11]. Интересно, что по мере усложнения организмов увеличивается также количество и гетерогенность пула микроРНК. Это косвенно свидетельствует о том, что сложность этих организмов обеспечивается, в частности, функционированием микроРНК [12]. Возможная эволюция микроРНК показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Многообразие микроРНК у разных организмов. Чем выше организация организма, тем больше у него обнаруживается микроРНК (число в скобках). Красным выделены виды, у которых обнаружены единичные микроРНК.

Между киРНК и микроРНК можно провести чёткую эволюционную связь, опираясь на следующие факты:

Эти и другие данные позволяют предположить происхождение обеих систем от общего «предка». Интересно также отметить, что «РНКовый» иммунитет как независимый предшественник белковых антител подтверждает теорию зарождения первых форм жизни на основе РНК, а не белков (напомним, что это любимая теория академика А. С. Спирина [2]).

Чем дальше, тем запутанней. Игрок № 3 — пиРНК

Пока на арене молекулярной биологии было только два «игрока» — киРНК и микроРНК — основное «предназначение» РНК-интерференции казалось совершенно понятным. Действительно: набор гомологичных коротких РНК и белков у разных организмов осуществляет аналогичные действия; по мере усложнения организмов усложняется и функциональность.

Однако в процессе эволюции природа создала ещё одну, эволюционно самую позднюю и узкоспециализированную систему на основе всё того же удачного принципа РНК-интерференции. Речь идет пиРНК (piRNA, от Piwi-interaction RNA).

Чем сложнее организован геном, тем более развит и приспособлен организм (или наоборот? ;-). Однако увеличение сложности генома имеет и оборотную сторону: сложная генетическая система становится нестабильной. Это ведет к необходимости механизмов, отвечающих за поддержание целостности генома — иначе самопроизвольное «перемешивание» ДНК просто выведет её из строя. Мобильные генетические элементы (МГЭ) — один из основных факторов нестабильности генома — представляют собой короткие нестабильные участки, которые могут автономно транскрибироваться и мигрировать по геному. Активация таких мобильных элементов приводит к множественным разрывам ДНК в хромосомах, чреватых летальными последствиями.

Количество МГЭ нелинейно увеличивается с размером генома, и их активность необходимо сдерживать. Для этого животные, уже начиная с кишечнополостных, используют всё тот же феномен РНК-интерференции. Эту функцию также выполняют короткие РНК, однако не те, о которых речь уже шла, а третий их тип — пиРНК.

«Портрет» пиРНК

пиРНК — короткие молекулы длиной в 24–30 нуклеотидов, закодированные в центромерных и теломерных областях хромосомы. Последовательности многих из них комплементарны известным мобильным генетическим элементам, однако есть множество других пиРНК, совпадающих с участками рабочих генов или с фрагментами генома, функции которых неизвестны.

пиРНК (также как и микроРНК) закодированы в обеих цепях геномной ДНК; они весьма изменчивы и разнообразны (до 500 000 (!) видов в одном организме). В отличие от киРНК и микроРНК, они образуются одной цепью с характерной особенностью — урацилом (U) на 5′-конце и метилированным 3′-концом. Есть и другие отличия:

Процессинг и активность пиРНК пока достаточно плохо изучены, но уже ясно, что механизм действия совершенно отличается от других коротких РНК — сегодня предложена пинг-понг модель их работы (рис. 7 и 8).

Рисунок 7. Цитоплазматическая часть процессинга пиРНК. Биогенез и активность пиРНК опосредуется семейством эндонуклеаз Piwi (Ago3, Aub, Piwi). Активность пиРНК обеспечивается обеими одноцепочечными молекулами пиРНК — смысловой и анти-смысловой, — каждая из которых ассоциирует со специфической эндонуклеазой Piwi. пиРНК узнает комплементарный участок мРНК транспозона (синяя цепь) и вырезает его. Это не только инактивирует транспозон, но и создает новую пиРНК (связанную с Ago3 с помощью метилирования метилазой Hen1 3′-конца). Такая пиРНК, в свою очередь, узнаёт мРНК с транскриптами кластера предшественников пиРНК (красная цепь) — таким способом цикл замыкается и снова вырабатывается нужная пиРНК.

Рисунок 8. пиРНК в ядре. Кроме эндонуклеазы Aub, антисмысловую пиРНК может связывать и эндонуклеаза Piwi. После связывания комплекс мигрирует в ядро, где вызывает деградацию комплементарных транскриптов и перестройку хроматина, вызывающую подавление активности транспозонов.

Функции пиРНК

Главная функция пиРНК — подавление активности МГЭ на уровне транскрипции и трансляции. Считается, что пиРНК активны только во время эмбриогенеза, когда непредсказуемые перетасовки генома особенно опасны и могут привести к гибели зародыша. Это логично — когда иммунная система ещё не заработала, клетки эмбриона нуждаются в какой-нибудь простой, но действенной защите. От внешних патогенов эмбрион надежно защищен плацентой (или оболочкой яйца). Но кроме этого необходима оборона и от эндогенных (внутренних) вирусов, — в первую очередь МГЭ.

Эта роль пиРНК подтверждена опытом — «нокаут» или мутации генов Ago3, Piwi или Aub приводят к серьёзным нарушениям развития (и резкому увеличению числа мутаций в геноме такого организма), а также вызывают бесплодие за счёт нарушения развития половых клеток.

Распространение и эволюция пиРНК

Первые пиРНК обнаруживаются уже у актиний и губок. Растения, видимо, пошли другим путём — белки Piwi у них не обнаружены, а роль «намордника» для транспозонов выполняют эндонуклеаза Ago4 и киРНК.

Заключение

В заключение хочется привести таблицу, иллюстрирующую эволюцию белкового аппарата, участвующего в РНК-интерференции (рис. 9). Видно, что у простейших наиболее развита система киРНК (белковые семейства Ago, Dicer), а с усложнением организмов акцент переносится на более специализированные системы — увеличивается число изоформ белков для микроРНК (Drosha, Pasha) и пиРНК (Piwi, Hen1). При этом разнообразие ферментов, опосредующих действие киРНК, уменьшается.

Рисунок 9. Многообразие белков, участвующих в РНК-интерференции (цифры обозначают количество белков каждой группы). Синим цветом подсвечены элементы, характерные для киРНК и микроРНК, а красным — белки, связанные с пиРНК.

Явление РНК-интерференции начали использовать уже простейшие организмы. На основе этого механизма природа создала прототип иммунной системы, а по мере усложнения организмов РНК-интерференция становится незаменимым регулятором активности генома. Два разных механизма плюс три вида коротких РНК (см. таб. 1) — в результате мы видим тысячи тонких регуляторов различных метаболических и генетических путей. Эта поразительная картина иллюстрирует универсальность и эволюционную адаптацию молекулярных биологических систем. Короткие РНК снова доказывают, что «мелочей» внутри клетки нет — есть только мелкие молекулы, всю значимость роли которых мы только начинаем понимать.

(Правда, такая фантастическая сложность говорит скорее о том, что эволюция «слепа» и действует без наперёд утверждённого «генерального плана» [15].)

Источник