Termometrul ARN sau termosenzorul ARN ( de exemplu, termometrul ARN, termosenzorul ARN, RNAT ) este un ARN necodant sensibil la temperatură care este implicat în reglarea expresiei genelor . Termometrele ARN , de regulă, reglează genele care sunt necesare pentru răspunsul la căldură sau la șoc rece , cu toate acestea, a fost demonstrată participarea lor la reglarea înfometării prelungite și a patogenității [1] .
Principiul de funcționare al unui termometru ARN este de a schimba structura secundară a acestei molecule ca răspuns la o schimbare a temperaturii . În timpul acestor modificări structurale, secțiuni importante ale acestui ARN, de exemplu, locul de legare a ribozomului , sunt expuse sau, dimpotrivă, pătrund adânc în moleculă, afectând astfel translația genei care codifică proteinele din apropiere.
Termometrele ARN, împreună cu riboswitch -urile , oferă suport pentru ipoteza lumii ARN . Conform acestei teorii, la început singurul acid nucleic prezent în celule a fost ARN, care a fost ulterior înlocuit de sistemul modern ADN → ARN → proteine [2] .
Exemple de termometre ARN sunt FourU [3] , elementul de reglare cis Hsp90 [4] , elementul ROSE [5] , termometrul Hsp17 [6] .
Descoperirea primului element ARN sensibil la temperatură a fost raportată în 1989 [7] . Studiile anterioare au arătat că mutațiile în amonte de site-ul de începere a translației în ARNm cIII al fagului lambda (λ) afectează nivelul de translație al proteinei cIII [8] . Această proteină este implicată în alegerea programului ( calea litică sau lizogenă ) a ciclului de viață al fagului λ, iar o concentrație mare de proteină cIII corespunde căii lizogene [8] . Studii ulterioare au arătat că această regiune ARN din amonte are două structuri secundare alternative. S-a dovedit că aceste structuri nu sunt interschimbabile și depind de concentrația ionilor de Mg 2+ și de temperatură [7] [9] . Acum se crede că aceste termometre cu ARN declanșează calea litică în condiții de șoc termic, astfel încât bacteriofagul să se poată replica rapid și să părăsească celula gazdă [1] .
Termenul „termometru ARN” nu a fost folosit până în 1999 [10] , când elementul ARN rpoH al bacteriei Escherichia coli a fost denumit astfel [11] . Recent, au fost identificate câteva noi termometre posibile cu ARN folosind tehnici bioinformatice [12] . În acest caz, căutarea obișnuită a secvenței este ineficientă, deoarece structura secundară a termometrelor ARN este mult mai conservatoare decât secvențele lor de nucleotide [ 12] .
Sunt utilizate diverse abordări pentru a studia funcționarea termometrelor ARN. Pentru a studia dinamica termometrelor cu ARN, se pot înlocui nucleotidele obișnuite din anumite locuri cu unele fluorescente și, astfel, se pot observa modificările acestora [13] . Pentru a determina poziția termometrului ARN în secvența studiată la anumite temperaturi, a fost dezvoltat un server web special RNAthermsw [14] . Pentru a identifica termometrele bacteriene cu ARN se folosesc și metode genetice , de exemplu Tet-Trap [15] .
Cele mai multe dintre termometrele ARN cunoscute în prezent sunt situate în regiunile 5'-netraduse (5'-UTR) ale ARNm-urilor procariote care codifică proteine de șoc termic . Poate că aceste rezultate se datorează distorsiunii de selecție și dificultăților insurmontabile în găsirea unor secvențe scurte non-conservatoare în datele genomice [16] [17] .
Deși cele mai cunoscute termometre cu ARN au fost găsite la procariote (inclusiv cianobacterii [18] ), posibile termometre cu ARN au fost identificate la mamifere , inclusiv la oameni [19] . La om, presupusul termosenzor ARN-1 de șoc termic (HSR1) activează factorul de transcripție a șocului termic-1 (HSF1) și declanșează sinteza proteinelor protectoare la temperaturi peste 37 °C ( temperatura normală a corpului ) , și astfel protejează celulele de supraîncălzire [19] . Elementul de reglare cis Hsp90 reglează expresia însoțitorului hsp90 la Drosophila , crescând translația acesteia la temperaturi ridicate [4] .
Structura termometrelor cu ARN este simplă și poate fi formată din secvențe scurte de ARN. Cel mai mic termometru ARN cunoscut are o lungime de 44 de nucleotide. Este localizat în ARNm al proteinei de șoc termic (hsp17) din cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 [6] . În general, termometrele cu ARN variază între 60 și 110 de nucleotide în lungime [21] și, de obicei, conțin un ac de păr în care o proporție mică de baze sunt nepereche . Acestea reduc stabilitatea structurii, datorită căreia se poate topi cu ușurință atunci când temperatura crește [16] .
Analiza structurală detaliată a termometrului ROSE ARN a arătat că bazele nepotrivite iau parte de fapt la împerecherea bazelor nestandard care menține structura elicoidală a ARN-ului. Aceste perechi neobișnuite sunt reprezentate de perechile G -G , U -U și U C -U . Deoarece aceste perechi non-canonice sunt relativ instabile, o creștere a temperaturii determină fuziunea locală a ARN-ului în această regiune, care expune secvența Shine-Dalgarno [20] .
Unele termometre ARN sunt mult mai complexe decât un singur ac de păr, ca în cazul 5’-UTR al ARNm CspA , unde termometrul ARN conține un pseudonod și multe agrafe [22] [23] .
Au fost dezvoltate termometre ARN artificiale care conțin doar un ac de păr [24] . Cu toate acestea, secvența de nucleotide a unor astfel de termometre ARN scurte poate fi susceptibilă la mutații, iar substituția unei singure baze poate face acest termometru ARN inactiv in vivo [25] .
Termometrele ARN sunt situate în 5’-UTR al ARNm, în amonte de secvența de codificare [1] . Spre deosebire de riboswitch-urile care acționează la nivelul transcripției , translației și reglării stabilității ARNm, toate termometrele ARN cunoscute în prezent acționează la nivelul inițierii translației [26] . Modificările structurale din termometrele cu ARN pot îndepărta locul de legare a ribozomului adânc în moleculă și astfel pot preveni translația ARNm în proteină [16] . Odată cu creșterea temperaturii, structura acului de păr a termometrului ARN se poate topi, expunând locul de legare a ribozomului sau secvența Shine-Dalgarno (și în unele cazuri codonul de start AUG [18] ), permițând subunitatea mică a ribozomului ( 30S ) pentru a se lega de ARNm, urmând ceea ce urmărește întregul aparat de difuzare [1] . Codonul de start , situat de obicei la 8 nucleotide în aval de secvența Shine-Dalgarno [16] , marchează începutul regiunii de codificare a proteinelor , pe care ribozomul o traduce într-o peptidă . Pe lângă aceste termometre cu ARN cu acțiune cis , se cunoaște singurul termometru cu ARN cu acțiune trans , situat în ARNm RpoS , unde se presupune că reglează răspunsul la înfometarea prelungită [1] .
Ca exemplu, luați în considerare termometrul FourU Salmonella enterica ARN [3] . Sub acțiunea temperaturilor de peste 45 °C, ac de păr care conține secvența Shine-Dalgarno se topește, secvența Shine-Dalgarno devine nepereche, iar traducerea ARNm devine posibilă [25] . S-a demonstrat că stabilitatea lui FourU este afectată de concentrația de Mg 2+ [27] . Cel mai studiat este termometrul ARN situat în ARNm al genei rpoH din E. coli [28] . Acest termosenzor reglează pozitiv translația proteinelor de șoc termic la temperaturi ridicate printr-un factor sigma specializat σ 32 [10] .
În Bradyrhizobium japonicum și Rhizobium radiobacter , au fost descrise proteobacterii din ordinul Rhizobiales, termometrele ARN ROSE 1 și, respectiv, ROSE AT2 . Ele sunt localizate în 5’-UTR al HspA și suprimă translația proteinelor de șoc termic la temperaturi fiziologice [5] [29] .
Deși termometrele ARN sunt de obicei asociate cu expresia proteinelor de șoc termic, ele pot, de asemenea, să regleze expresia proteinelor de șoc la rece [22] . De exemplu, în bacteria termofilă Thermus thermophilus , expresia a două proteine de 7 kDa este reglată de un termometru ARN [30] , iar un mecanism similar a fost descris și în Escherichia coli [23] .
Termometrele cu ARN care răspund la 37°C pot fi folosite de agenți patogeni pentru a activa genele asociate infecției . De exemplu, prin grefarea genei care codifică proteina verde fluorescentă la capătul 5’ al genei prfA , care codifică un regulator transcripțional cheie al genelor de virulență în Listeria monocytogenes , a fost demonstrată reglarea pozitivă a expresiei prfA : transcrierea unei astfel de gene hibride din fluorescența promotorului T7 E. coli a fost observată la 37°C, dar nu la 30°C [31] . Termometrele ARN sunt implicate în reglarea virulenței unor astfel de bacterii patogene precum Leptospira interrogans și Vibrio cholerae [32] . În bacteria patogenă Shigella dysenteriae și tulpinile patogene de Escherichia coli , termometrele cu ARN sunt implicate în reglarea proceselor care afectează patogeneza [18] [33] [34] .
Uneori , un operon poate fi reglat de mai multe termometre ARN. Se prezice că operonul ibpAB de E. coli conține două termometre ARN cooperante: elementul ROSE și termometrul IbpB [35] .
De asemenea, trebuie remarcat faptul că termometrele cu ARN pot fi folosite nu numai pentru a regla transcrierile monocistronice care conțin o singură secvență Shine-Dalgarno , ci și pentru transcrierile policistronice care conțin mai multe secvențe Shine-Dalgarno [18] . De exemplu, în Pseudomonas putida , rezistența la stres este asigurată de operonul tristronic, care este conservat printre multe bacterii care trăiesc liber. Primele două gene ale acestui operon sunt reglate de termometre ARN [36] .
Ipoteza lumii ARN susține că inițial ARN a acționat ca un purtător de informații ereditare și a efectuat procese enzimatice , iar diverse secvențe de ARN au acționat ca biocatalizatori , regulatori și senzori [37] . Mai târziu, sub influența selecției, majoritatea funcțiilor îndeplinite de ARN au început să fie îndeplinite de alte biomolecule , iar viața bazată exclusiv pe ARN a fost înlocuită cu viața bazată pe ADN , ARN și proteine [2] .
Se crede că termometrele ARN și riboswitch-urile sunt elemente antice din punct de vedere evolutiv , deoarece sunt răspândite în organisme cele mai îndepărtate evolutiv [38] . S-a sugerat că în lumea ARN, termometrele ARN au efectuat reglarea dependentă de temperatură a altor ARN [2] [39] . În organismele moderne, termometrele ARN sunt posibil „ fosile moleculare ” care erau mult mai comune în lumea de altădată a ARN-ului decât sunt acum [2] .
Pentru controlul temperaturii expresiei genelor în bacterii, se dezvoltă termometre artificiale cu ARN [40] [24] .
În 2013 au fost dezvoltate „termozime” – termometre artificiale cu ARN cu activitate ribozimă . Actorul de păr termosenzorial în stare topită inhibă activitatea ribozimei, care eliberează secvența de legare a ribozomului. La temperaturi ridicate, ac de păr se topește, ribozima este inactivată și expresia genelor este suprimată. Astfel, termoenzima reacționează la temperaturi ridicate în mod opus termometrelor cu ARN natural [41] .
În 2016, a fost raportată crearea de „comutatoare termice” - integrarea termometrelor ARN sensibile la temperatură și a aptamerilor riboswitch într-o singură structură. Comutatoarele termice funcționează ca ribocomutatoare la temperaturi scăzute și reacționează la legarea cu ligandul lor prin schimbarea structurii, iar la temperaturi ridicate ele intră într-o stare permanent „pornită”. Astfel, comutatoarele termice sunt primele termometre ARN care funcționează la nivelul transcripției . Astfel de regulatori artificiali de ARN pot fi folosiți pe scară largă pentru a regla expresia genelor [26] .
În 2016, algoritmul RNAiFold2T a fost propus pentru dezvoltarea unor termometre ARN specifice care conțin IRES. Translația independentă de capac a unor astfel de elemente termo-IRES este cu aproximativ 50% mai intensă la 42°C decât la 30°C. Cu toate acestea, eficiența lor de translație este încă mai mică decât cea a IRES de tip sălbatic, care nu depinde de temperatură [42] .
| Tipuri de ARN | |
|---|---|
| Biosinteza proteinelor | |
| procesarea ARN |
|
| Reglarea expresiei genelor |
|
| elemente de reglare cis | |
| Elemente parazite | |
| Alte |
|