Controlul calității ARNm

Controlul calității ARNm [1] ( supravegherea ARNm ) este un  set de mecanisme moleculare care asigură respingerea ARNm -urilor defecte și împiedică translația acestora [2] [3] . Mecanismele de control al calității ARNm operează în diferite etape ale biogenezei ARNm . De regulă, ele duc la faptul că ARNm-urile defecte sunt marcate într-un mod specific și datorită acestui fapt sunt recunoscute de enzimele nucleaze care le distrug [4] .

Mecanismele de control al calității ARNm au fost descrise la bacterii și eucariote , iar la acestea din urmă apar atât în ​​nucleu, cât și în citoplasmă [5] . Rezultatul activității acestor mecanisme în nucleu este distrugerea transcrierilor defecte , împiedicând mișcarea lor în citoplasmă. În citoplasmă, transcrierile sunt verificate pentru prezența codonilor de stop prematur [4] [5] .

Trei mecanisme de control al calității ARNm au fost descrise în celulele eucariote: dezintegrarea mediată de nonsens  ( NMD ), degradarea non-stop și degradarea nefuncțională [6] .

Decadere mediată de prostii

Dezintegrarea mediată de nonsens (NMD) își propune să identifice și să distrugă ARNm care conțin codoni de stop prematur. Codonii stop prematuri pot apărea din cauza mutațiilor în celulele germinale și somatice , erori în transcripție sau procesare post-transcripțională a ARNm [7] [8] . Dacă astfel de ARNm nu sunt distruse, din ele vor fi sintetizate proteine ​​trunchiate , care pot fi dăunătoare celulei [9] . Codonii stop prematuri sunt implicați în dezvoltarea a aproximativ 30% din bolile ereditare . Astfel, NMD joacă un rol important în viața organismului [10] [11] .

În drojdia Saccharomyces cerevisiae și nematodul Caenorhabditis elegans , trei proteine ​​smg (smg1-7) și trei proteine ​​UPF (Upf1-3) funcționează ca factori esențiali de NMD cu acțiune trans [12] [13] . Genele corespunzătoare sunt prezente și în musca de fructe Drosophila melanogaster și la mamifere , iar produsele lor proteice sunt, de asemenea, implicate în NMD [14] . În general, toate eucariotele au complexe proteice implicate în NMD: UPF1/SMG-2, UPF2/SMG-3 și UPF3/SMG-4. Cu toate acestea, rolurile lor în NMD sunt subiecte de controversă. De asemenea, nu este clar ce fel de interacțiuni între aceste proteine ​​apar de fapt [15] [12] [14] [16] [17] .

S-a demonstrat că unele ARNm care conțin codoni stop prematuri nu suferă NMD [18] [19] . De regulă, în astfel de ARNm, codonul stop prematur este situat chiar la începutul cadrului deschis de citire [20] . De exemplu, ARNm de β-globulină conține un codon stop prematur chiar la începutul primului exon și nu suferă NMD. Detaliile mecanismului care permite unor astfel de ARNm să evite degradarea sunt necunoscute. S-a sugerat că implică proteina de legare poli(A) (PABP) [21] .

La mamifere

S-a demonstrat că nucleotidele situate la 50–54 sau mai multe nucleotide în amonte de ultima joncțiune a doi exoni [3] [5] [7] [8] [9] [18] sunt importante pentru declanșarea degradării ARNm la mamifere . Nucleotidele sub acest punct nu au nicio importanță pentru NMD. Astfel, codonii stop prematuri sunt localizați la 50–54 de nucleotide în amonte de ultima limită de doi exoni, în timp ce codonii stop normali sunt localizați în exonii terminali [22] . Complexele de joncțiune a exonilor (EJC ) marchează granițele dintre exoni .  EJC este un complex multiproteic care este asamblat pe transcript în timpul îmbinării a 20-24 de nucleotide în amonte de situsul de îmbinare [23] . Datorită EJC, codonii de stop prematur pot fi distinși de cei normali. Recunoașterea codonilor de stop prematur depinde de definirea granițelor dintre exoni, astfel încât spliceosomul este implicat în NMD la mamifere [18] [24] . Calea NMD nu este declanșată de transcriptele defecte citite din gene care nu conțin introni , cum ar fi gena pentru histona H4 , Hsp70 și receptorul melacortin-4 [9] .

În mod normal, complexele EJC sunt localizate după codonii stop. Pe măsură ce ribozomul se mișcă de-a lungul ARNm, înlocuiește complexele EJC. Când ribozomul ajunge la codonul stop prematur, factorii de translație eRF1 și eRF3 se leagă de complexele EJC nedeplasate, formând o punte multiproteică [25] . UPF1 interacționează cu UPF2/UPF3 din EJC rămasă, declanșând degradarea ARNm de către nucleaze endogene [22] [25] .

La nevertebrate

În organisme precum S. cerevisiae , D. melanogaster și C. elegans , recunoașterea codonului stop nu este asociată cu granițele exonilor [24] , iar la acestea NMD nu este asociată cu splicing. Din acest motiv, NMD nevertebrate nu necesită implicarea EJC [4] . Au fost propuse mai multe mecanisme posibile pentru a face distincția între codoni stop normali și prematuri în celulele nevertebrate. Conform unei ipoteze, ei au unele secvențe care sunt localizate după codoni de stop prematur și funcționează ca EJC [15] . Cel de-al doilea model sugerează că informațiile de poziție necesare pentru a distinge codonii de oprire normali și prematuri pot fi furnizate de elemente ARNm atât de răspândite precum coada poli(A) 3’-terminală [26] . Conform unui alt model, regiunile 3'-terminale situate după codoni de oprire normale și după codoni de oprire prematură diferă, de exemplu, în proteinele lor asociate. Cu toate acestea, nici una dintre aceste ipoteze nu a fost încă confirmată experimental [4] .

În plante

Plantele au două mecanisme de recunoaștere a codonilor de stop prematur: primul este legat de distanța până la EJC, ca la vertebrate , iar al doilea se bazează pe distanța de la codonul de oprire la coada poli(A). La plante, calea NMD degradează ARNm-urile cu o regiune 3’-netradusă mai lungă de 300 de nucleotide; prin urmare, ARNm-urile cu regiuni lungi 3’-netraduse sunt mult mai puțin frecvente la plante decât la vertebrate [27] [28] .

Degradarea nonstop ( în engleză  nonstop mediated decay, NSD ) are ca scop recunoașterea și distrugerea transcrierilor lipsite de codoni stop [30] [31] . Astfel de ARNm pot rezulta din 3'-poliadenilare prematură, în care semnalele de poliadenilare sunt localizate în regiunea de codificare a transcriptului [32] . Ribozomul care se leagă de astfel de ARNm le traduce până ajunge la coada poli(A), de care „atârnă” și nu se poate disocia de ARNm [33] . Dacă ARNm fără codoni stop nu este eliminat, atunci mulți ribozomi vor fi incapabili să traducă ARNm-uri normale, fiind asociați cu transcrieri defecte. Degradarea non-stop eliberează ribozomi atârnați și trimite ARNm fără un codon stop care să fie degradat de nucleaze. Degradarea non-stop are loc prin două mecanisme principale, care probabil acționează împreună [30] [31] .

Path Ski7

Proteina Ski7 ar trebui să fie capabilă să se lege de site-ul A gol al ribozomului și, prin urmare, să ajute ribozomii „atârnați” să se elibereze de transcript fără un codon stop. După disociarea ribozomului, Ski7 rămâne asociat cu transcriptul defect și în această formă transcriptul este distrus de exozomi citosolici . Complexul exozomului cu Ski7 deadenilează rapid ARNm, iar apoi exozomul distruge transcriptul în direcția de la capătul 3’ la capătul 5’ [30] [31] .

Cale independentă de Ski7

A doua cale NSD a fost descrisă pentru prima dată în drojdie. În absența Ski7, proteinele de legare poli(A) (PABP) se disociază de coada poli(A). Datorită disocierii proteinelor PABP, capacul protector al capătului 5’ este îndepărtat din transcript , iar transcriptul este degradat rapid de exonucleazele endogene , cum ar fi XrnI, de la capătul 5’ la capătul 3’ [31] .

Degradare interzisă

Degradarea no-go ( No-Go decay ,  NGD ) a fost ultimul dintre mecanismele cunoscute în prezent de control al calității ARNm [34] , iar mecanismul său nu a fost încă pe deplin elucidat. Nu se știe exact care ARNm sunt ținta NGD, dar se presupune că acestea sunt ARNm de care ribozomul „atârnă” în timpul traducerii. Acest lucru se poate datora structurii secundare ale cărei elemente pot împiedica fizic avansarea ribozomului [34] . Complexul Dom34/Hbs1 se leagă probabil de ARNm în apropierea site-ului A al ribozomului suspendat și îl ajută să părăsească transcriptul [35] . În unele cazuri, o tăietură este introdusă în transcriere în apropierea locului în care ribozomul „atârnă”, cu toate acestea, endonucleazele care fac această tăietură nu au fost identificate. Fragmentele de transcriere sunt apoi în cele din urmă distruse de exozomi în direcția de la capătul 3’ la capătul 5’ sau de exonucleaza Xrn1 în direcția opusă [34] . Nu se știe exact cum Dom34/Hbs1 promovează disocierea ribozomului suspendat, dar se știe că proteina Hbs1 este legată de proteina Ski7, care joacă un rol similar în degradarea non-stop [7] [36] .

Evoluție

Prin urmărirea conservatorismului proteinelor cheie ale fiecăruia dintre mecanismele de control al calității ARNm, este posibil să se reconstituie istoria evolutivă a acestor mecanisme. Proteinele cheie sunt Dom34/Hbs1 în NGD [34] , Ski7 în NSD [30] și eRF în NMD [8] . Folosind BLAST , a fost determinată prezența acestor proteine ​​în diferite grupuri de organisme. S-a dovedit că Hbs1 (NGD) și eRF3 (NMD) se găsesc numai la eucariote, în timp ce Dom34 (NGD) se găsește la eucariote și arhee . În acest sens, NGD a fost probabil primul mecanism de control al calității ARNm. Proteina Ski7 (NSD) se găsește numai în drojdie, așa că NSD pare să fie ultimul dintre cele trei mecanisme. Astfel, NMD a apărut ca al doilea dintre ei [37] .

Note

  1. Mironova L. N., Padkina M. V., Sambuk E. V. ARN: sinteză și funcții. - Sankt Petersburg. : Eco-vector, 2017. - S. 272. - 287 p. - ISBN 978-5-906648-29-7 .
  2. Moore MJ De la naștere la moarte: viețile complexe ale ARNm eucariote   // Știință . - 2005. - 2 septembrie ( vol. 309 , nr. 5740 ). - P. 1514-1518 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1111443 .
  3. 1 2 Amrani N. , Sachs MS , Jacobson A. Prostii timpurii: dezintegrarea ARNm rezolvă o problemă de translație.  (engleză)  // Nature Reviews. Biologie celulară moleculară. - 2006. - Iunie ( vol. 7 , nr. 6 ). - P. 415-425 . doi : 10.1038 / nrm1942 . — PMID 16723977 .
  4. 1 2 3 4 Amrani N. , Ganesan R. , Kervestin S. , Mangus DA , Ghosh S. , Jacobson A. Un fals 3'-UTR promovează terminarea aberantă și declanșează dezintegrarea mRNA mediată de nonsens.  (engleză)  // Natură. - 2004. - 4 noiembrie ( vol. 432 , nr. 7013 ). - P. 112-118 . - doi : 10.1038/nature03060 . — PMID 15525991 .
  5. 1 2 3 Fasken Milo B , Corbett Anita H. Process or perish: quality control in mRNA biogenesis  //  Nature Structural & Molecular Biology. - 2005. - Iunie ( vol. 12 , nr. 6 ). - P. 482-488 . — ISSN 1545-9993 . doi : 10.1038 / nsmb945 .
  6. Krebs J., Goldstein E., Kilpatrick S. Genes conform Lewin. - M . : Laboratorul de cunoștințe, 2017. - S. 618. - 919 p. — ISBN 978-5-906828-24-8 .
  7. 1 2 3 4 5 6 Chang YF , Imam JS , Wilkinson MF Calea de supraveghere a dezintegrarii ARN mediată de nonsens.  (Engleză)  // Revizuirea anuală a biochimiei. - 2007. - Vol. 76 . - P. 51-74 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.76.050106.093909 . — PMID 17352659 .
  8. 1 2 3 Rehwinkel Jan , Raes Jeroen , Izaurralde Elisa. Dezintegrarea mRNA mediată de nonsens: genele țintă și diversificarea funcțională a efectorilor  (engleză)  // Trends in Biochemical Sciences. - 2006. - noiembrie ( vol. 31 , nr. 11 ). - P. 639-646 . — ISSN 0968-0004 . - doi : 10.1016/j.tibs.2006.09.005 .
  9. 1 2 3 Maquat Lynne E. Dezintegrarea mRNA mediată de nonsens: splicing, translation and mRNP dynamics  //  Nature Reviews Molecular Cell Biology. - 2004. - Februarie ( vol. 5 , nr. 2 ). - P. 89-99 . — ISSN 1471-0072 . - doi : 10.1038/nrm1310 .
  10. Holbrook Jill A , Neu-Yilik Gabriele , Hentze Matthias W , Kulozik Andreas E. Nonsense-mediated decay approaches the clinic   // Nature Genetics . - 2004. - august ( vol. 36 , nr. 8 ). - P. 801-808 . — ISSN 1061-4036 . doi : 10.1038 / ng1403 .
  11. Mendell Joshua T , Sharifi Neda A , Meyers Jennifer L , Martinez-Murillo Francisco , Dietz Harry C. Nonsense surveillance regulates expression of diverse classes of mammalian transcripts and mutes genomic noise  //  Nature Genetics. - 2004. - 26 septembrie ( vol. 36 , nr. 10 ). - P. 1073-1078 . — ISSN 1061-4036 . - doi : 10.1038/ng1429 .
  12. 1 2 Cali BM , Kuchma SL , Latham J. , Anderson P. smg-7 este necesar pentru supravegherea ARNm la Caenorhabditis elegans.  (engleză)  // Genetică. - 1999. - Februarie ( vol. 151 , nr. 2 ). - P. 605-616 . — PMID 9927455 .
  13. Yamashita Akio , Kashima Isao , Ohno Shigeo. Rolul SMG-1 în dezintegrarea mRNA mediată de nonsens // Biochimica et Biophysica Acta  (  BBA) - Proteine ​​și Proteomics. - 2005. - Decembrie ( vol. 1754 , nr. 1-2 ). - P. 305-315 . — ISSN 1570-9639 . - doi : 10.1016/j.bbapap.2005.10.002 .
  14. 1 2 Kim Yoon Ki , Furic Luc , DesGroseillers Luc , Maquat Lynne E. Mammalian Staufen1 Recruits Upf1 to Specific mARN 3′UTRs so as to Elicit mRNA Decay   // Cell . - 2005. - ianuarie ( vol. 120 , nr. 2 ). - P. 195-208 . — ISSN 0092-8674 . - doi : 10.1016/j.cell.2004.11.050 .
  15. 1 2 Conti Elena , Izaurralde Elisa. Dezintegrarea mRNA mediată de nonsens: perspective moleculare și variații mecanice între specii  //  Opinia curentă în biologia celulară. - 2005. - iunie ( vol. 17 , nr. 3 ). - P. 316-325 . — ISSN 0955-0674 . - doi : 10.1016/j.ceb.2005.04.005 .
  16. Longman D. , Plasterk RH , Johnstone IL , Cáceres JF Perspective mecanice și identificarea a doi factori noi în calea NMD C. elegans.  (engleză)  // Genes & Development. - 2007. - 1 mai ( vol. 21 , nr. 9 ). - P. 1075-1085 . - doi : 10.1101/gad.417707 . — PMID 17437990 .
  17. Gatfield D. Dezintegrarea mRNA mediată de nonsens în Drosophila: la intersecția căilor de drojdie și mamifere  //  The EMBO Journal. - 2003. - 1 august ( vol. 22 , nr. 15 ). - P. 3960-3970 . — ISSN 1460-2075 . - doi : 10.1093/emboj/cdg371 .
  18. 1 2 3 Nagy E. , Maquat LE O regulă pentru poziția codonului de terminare în genele care conțin introni: când prostiile afectează abundența ARN.  (Engleză)  // Tendințe în științe biochimice. - 1998. - iunie ( vol. 23 , nr. 6 ). - P. 198-199 . — PMID 9644970 .
  19. Inácio Ângela , Silva Ana Luísa , Pinto Joana , Ji Xinjun , Morgado Ana , Almeida Fátima , Faustino Paula , Lavinha João , Liebhaber Stephen A. , Romão Luísa. Mutațiile nonsens în imediata apropiere a codonului de inițiere nu reușesc să declanșeze dezintegrarea mRNA mediată de nonsens  //  Journal of Biological Chemistry. - 2004. - 25 mai ( vol. 279 , nr. 31 ). - P. 32170-32180 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.m405024200 .
  20. ^ Silva AL , Pereira FJC , Morgado A. , Kong J. , Martins R. , Faustino P. , Liebhaber SA , Romao L. The canonical UPF1-dependent nonsens-mediated mRNA decay is inhibited in transcripts carrying a short open reading frame independent de context de secvență  (engleză)  // ARN. - 2006. - 19 octombrie ( vol. 12 , nr. 12 ). - P. 2160-2170 . — ISSN 1355-8382 . - doi : 10.1261/rna.201406 .
  21. ^ Silva AL , Ribeiro P. , Inacio A. , Liebhaber SA , Romao L. Proximity of the poly(A)-binding protein to a premature termination codon inhibits mamifer nonsens-mediated mRNA decay   // ARN . - 2008. - 18 ianuarie ( vol. 14 , nr. 3 ). - P. 563-576 . — ISSN 1355-8382 . - doi : 10.1261/rna.815108 .
  22. 1 2 Zhang Jing , Sun Xiaolei , Qian Yimei , LaDuca Jeffrey P. , Maquat Lynne E. Cel puțin un intron este necesar pentru dezintegrarea mediată prin nonsens a ARNm de triosefosfat izomerazei: o posibilă legătură între splicing nuclear și  traducere  citoplasmatică ) Biologie moleculară și celulară. - 1998. - 1 septembrie ( vol. 18 , nr. 9 ). - P. 5272-5283 . — ISSN 0270-7306 . - doi : 10.1128/mcb.18.9.5272 .
  23. Neu-Yilik G. Splicing și formarea capătului 3’ în definiția mRNP-urilor de beta-globină umană competentă în dezintegrare mediată de nonsens  //  The EMBO Journal. - 2001. - 1 februarie ( vol. 20 , nr. 3 ). - P. 532-540 . — ISSN 1460-2075 . - doi : 10.1093/emboj/20.3.532 .
  24. 1 2 Behm-Ansmant I. , Gatfield D. , Rehwinkel J. , Hilgers V. , Izaurralde E. A conservat role for cytoplasmic poly(A)-binding protein 1 (PABPC1) in nonsens-mediated mRNA decay.  (engleză)  // Jurnalul EMBO. - 2007. - 21 martie ( vol. 26 , nr. 6 ). - P. 1591-1601 . - doi : 10.1038/sj.emboj.7601588 . — PMID 17318186 .
  25. 1 2 Kashima I. , Yamashita A. , Izumi N. , Kataoka N. , Morishita R. , Hoshino S. , Ohno M. , Dreyfuss G. , Ohno S. Legarea unui roman SMG-1-Upf1-eRF1- Complexul eRF3 (SURF) la complexul de joncțiune a exonilor declanșează fosforilarea Upf1 și dezintegrarea ARNm mediată de nonsens.  (engleză)  // Genes & Development. - 2006. - 1 februarie ( vol. 20 , nr. 3 ). - P. 355-367 . - doi : 10.1101/gad.1389006 . — PMID 16452507 .
  26. Palaniswamy Viswanathan , Moraes Karen CM , Wilusz Carol J , Wilusz Jeffrey. Nucleofosmina este depusă selectiv pe ARNm în timpul poliadenilării  //  Nature Structural & Molecular Biology. - 2006. - 9 aprilie ( vol. 13 , nr. 5 ). - P. 429-435 . — ISSN 1545-9993 . doi : 10.1038 / nsmb1080 .
  27. Schwartz AM , Komarova TV , Skulachev MV , Zvereva AS , Dorokhov IuL. , Atabekov JG Stabilitatea ARNm de plante depinde de lungimea regiunii 3'-netraduse.  (engleză)  // Biochimie. Biochimie. - 2006. - Decembrie ( vol. 71 , nr. 12 ). - P. 1377-1384 . — PMID 17223792 .
  28. ^ Nyikó T. , Kerényi F. , Szabadkai L. , Benkovics AH , Major P. , Sonkoly B. , Mérai Z. , Barta E. , Niemiec E. , Kufel J. , Silhavy D. Plant nonsense-mediated mRNA decay is is controlate de diferite circuite de autoreglare și pot fi induse de un complex asemănător EJC. (Engleză)  // Cercetarea acizilor nucleici. - 2013. - iulie ( vol. 41 , nr. 13 ). - P. 6715-6728 . - doi : 10.1093/nar/gkt366 . PMID 23666629 .  
  29. Garneau NL , Wilusz J. , Wilusz CJ The highways and byways of mRNA decay.  (engleză)  // Nature Reviews. Biologie celulară moleculară. - 2007. - Februarie ( vol. 8 , nr. 2 ). - P. 113-126 . - doi : 10.1038/nrm2104 . — PMID 17245413 .
  30. 1 2 3 4 van Hoof A. , Frischmeyer PA , Dietz HC , Parker R. Recunoașterea mediată de exozomi și degradarea ARNm care lipsesc un codon de terminare.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 2002. - 22 martie ( vol. 295 , nr. 5563 ). - P. 2262-2264 . - doi : 10.1126/science.1067272 . — PMID 11910110 .
  31. 1 2 3 4 Frischmeyer PA Un mecanism de supraveghere ARNm care elimină transcrierile lipsite  de codoni de terminare  // Știință . - 2002. - 22 martie ( vol. 295 , nr. 5563 ). - P. 2258-2261 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1067338 .
  32. Temperley RJ Investigarea unei microdeleții patogene de mtDNA dezvăluie o cale de degradare a deadenilației dependentă de translație în mitocondriile umane  //  Human Molecular Genetics. - 2003. - 15 iulie ( vol. 12 , nr. 18 ). - P. 2341-2348 . — ISSN 1460-2083 . doi : 10.1093 / hmg/ddg238 .
  33. Karzai AW , Roche ED , Sauer RT Sistemul SsrA-SmpB pentru etichetarea proteinelor, degradarea dirijată și salvarea ribozomilor.  (Engleză)  // Nature Structural Biology. - 2000. - iunie ( vol. 7 , nr. 6 ). - P. 449-455 . - doi : 10.1038/75843 . — PMID 10881189 .
  34. 1 2 3 4 Doma MK , Parker R. Cleavage endonucleolitic of eucariotic mRNAs with stalls in translation elongation.  (engleză)  // Natură. - 2006. - 23 martie ( vol. 440 , nr. 7083 ). - P. 561-564 . - doi : 10.1038/nature04530 . — PMID 16554824 .
  35. Kobayashi K. , Kikuno I. , Kuroha K. , Saito K. , Ito K. , Ishitani R. , Inada T. , Nureki O. Structural basis for mRNA surveillance by archaeal Pelota și GTP-bound EF1α complex.  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 2010. - 12 octombrie ( vol. 107 , nr. 41 ). - P. 17575-17579 . - doi : 10.1073/pnas.1009598107 . — PMID 20876129 .
  36. Graille M. , Chaillet M. , van Tilbeurgh H. Structure of yeast Dom34: a protein related to translation termination factor Erf1 and implicate in No-Go decay.  (Engleză)  // Jurnalul de chimie biologică. - 2008. - 14 martie ( vol. 283 , nr. 11 ). - P. 7145-7154 . - doi : 10.1074/jbc.M708224200 . — PMID 18180287 .
  37. 1 2 Atkinson GC , Baldauf SL , Hauryliuk V. Evolution of nonstop, no-go and nonsens-mediated mRNA decay and their termination factor-derrived components.  (Engleză)  // BMC Evolutionary Biology. - 2008. - 23 octombrie ( vol. 8 ). - P. 290-290 . - doi : 10.1186/1471-2148-8-290 . — PMID 18947425 .