Acid ribonucleic matrice ( ARNm , sinonim - ARN mesager, ARNm ) - ARN care conține informații despre structura primară (secvența de aminoacizi) a proteinelor [1] . ARNm este sintetizat din ADN în timpul transcripției , după care, la rândul său, este utilizat în timpul translației ca șablon pentru sinteza proteinelor. Astfel, ARNm joacă un rol important în „manifestarea” ( expresia ) genelor .
Un ARNm matur tipic are o lungime de câteva sute până la câteva mii de nucleotide . Cele mai lungi ARNm au fost observate în virusurile ARN (+)ss , cum ar fi picornavirusurile - cu toate acestea, trebuie amintit că în acești virusuri, ARNm formează întregul lor genom .
ADN-ul este adesea comparat cu planurile – și, în același timp, cu instrucțiunile – pentru fabricarea proteinelor. Dezvoltând această analogie inginerie-producție, putem spune că, dacă ADN-ul este „un set complet de schițe-instrucțiuni pentru fabricarea proteinelor, stocate în seiful directorului fabricii”, atunci ARNm este „o copie de lucru temporară a instrucțiunilor-plan pentru o singură piesă, eliberată în atelierul de montaj”. Trebuie remarcat faptul că ADN-ul nu conține o imagine detaliată a unui organism adult , ci este mai mult ca o „rețetă” pentru fabricarea sa, care se aplică în funcție de condițiile curente predominante în timpul expresiei genelor - unele dintre setul complet de instrucțiuni sunt folosite, iar unele nu sunt.
Până la mijlocul secolului al XX-lea s-au acumulat date științifice care au făcut posibilă concluzia că structura proteinelor este codificată de secțiuni de ADN - gene [2] . Cu toate acestea, mecanismul real de codare nu a fost stabilit.
Lucrările lui J. Brachet (1944) și T. Kaspersson (1947) au arătat că celulele care sintetizează activ proteine conțin o cantitate mare de ARN în citoplasmă . Ulterior, s-a dovedit că acest lucru se aplică în principal ARN-ului ribozomal și nu ARNm, a cărui cantitate este relativ mică în celulă. Cu toate acestea, această observație a legat ADN-ul, ARN-ul și proteina și probabil a jucat un rol în sugerarea posibilului rol al ARN-ului ca intermediar capabil să transfere informații de la ADN-ul din nucleu la aparatul de biosinteză a proteinelor din citoplasmă [3] .
În același timp, au fost descoperiți și ribozomi - particule de ribonucleoproteine care sintetizează proteine. S-a sugerat că genele sunt transcrise în ribozomi ARN, care servesc ca șabloane pentru sinteza proteinelor [4] . Cu toate acestea, în 1956-1958, A. Belozersky și A. Spirin , după ce au efectuat o analiză comparativă a compoziției nucleotidice a ADN-ului și ARN-ului unui număr de microorganisme, au arătat că, cu variații mari în compoziția ADN-ului, ARN-ul diferitelor speciile erau destul de asemănătoare [5] . Acest lucru a indicat că cea mai mare parte a ARN-ului celular (ARNr) nu reflectă compoziția de nucleotide a ADN-ului unui anumit organism și nu poate servi ca șablon pentru sinteza proteinelor. În același timp, autorii au putut observa o corelație pozitivă slabă între compoziția ADN-ului și a ARN-ului, cu diferențe mari între specii. Acest lucru le-a permis să sugereze că, în plus față de ARNr, există o altă mică fracțiune de ARN în celulă, care poate media expresia genelor.
În mod independent, E. Volkin și L. Astrachan au ajuns la concluzii similare: au descoperit că, atunci când celulele bacteriene sunt infectate cu bacteriofag T2 , trec complet la sinteza proteinelor virale. În timp ce cea mai mare parte a ARN-ului celulei gazdă rămâne neschimbată, după infecție, o cantitate mică de ARN de scurtă durată este sintetizată, similară ca compoziție nucleotidică cu ADN-ul fagului [6] [7] .
În 1961, mai multe grupuri de cercetători au demonstrat în mod direct existența unui mesager ARN de scurtă durată, asemănător ca structură cu genele din ADN, care servește ca șablon pentru sinteza proteinelor prin legarea de ribozomi [8] [9] .
Ciclul de viață al unei molecule de ARNm începe cu „citirea” acesteia din matrița ADN (transcripție) și se termină cu degradarea sa în nucleotide individuale. O moleculă de ARNm poate suferi diferite modificări în timpul vieții sale înainte de sinteza proteinei (traducere). Moleculele de ARNm eucariote necesită adesea procesare complexă și transport de la nucleu, locul sintezei ARNm, la ribozomi unde are loc translația, în timp ce moleculele de ARNm procariote nu necesită acest lucru, iar sinteza ARN este asociată cu sinteza proteinelor [10] .
Transcripția este procesul de copiere a informațiilor genetice de la ADN la ARN, în special ARNm. Transcripția este efectuată de enzima ARN polimeraza , care, conform principiului complementarității , construiește o copie a unui segment de ADN bazat pe unul dintre lanțurile dublei helix. Acest proces este organizat în același mod atât la eucariote, cât și la procariote. Principala diferență dintre pro- și eucariote este că la eucariote, ARN polimeraza este asociată cu enzimele de procesare a ARNm în timpul transcripției, astfel încât procesarea și transcripția ARNm pot avea loc simultan în ele. Produsele de transcripție brute sau parțial procesate de scurtă durată se numesc pre-ARNm ; după procesare completă - ARNm matur .
În timp ce ARNm al procariotelor ( bacterii și arhee ), cu rare excepții, este imediat gata pentru traducere și nu necesită procesare specială, pre-ARNm eucariote sunt supuse unor modificări extinse. Deci, simultan cu transcripția, se adaugă o nucleotidă specială modificată ( cap ) la capătul 5’ al moleculei de ARN, anumite secțiuni de ARN sunt îndepărtate ( splicing ) și se adaugă nucleotide de adenină la capătul 3’ (deci -numită poliadenină, sau poli (A) - , coada) [11] . De obicei, aceste modificări post-transcripționale în ARNm eucariotic sunt denumite procesare ARNm.
Limitarea este primul pas în procesarea ARNm. Apare atunci când transcriptul sintetizat atinge o lungime de 25–30 de nucleotide [12] . Imediat după ce capacul este atașat la capătul 5’ al transcriptului, complexul de legare a capacului CBC ( cap binding complex ) se leagă de acesta , care rămâne legat de ARNm până la finalizarea procesării și este important pentru toate etapele ulterioare [13]. ] . În timpul splicing-ului, secvențele care nu codifică proteine, numite introni , sunt îndepărtate din pre-ARNm . Poliadenilarea este necesară pentru transportul majorității ARNm-urilor în citoplasmă și protejează moleculele de ARNm de degradarea rapidă (le crește timpul de înjumătățire). Moleculele de ARNm lipsite de un situs poli(A) (de exemplu, cele virale) sunt distruse rapid în citoplasma celulelor eucariote de către ribonucleaze .
După finalizarea tuturor etapelor de procesare, ARNm este verificat pentru absența codonilor de oprire prematură , după care devine un șablon cu drepturi depline pentru traducere [14] . În citoplasmă, capacul este recunoscut de factorii de inițiere , proteine responsabile de atașarea la ARNm al ribozomului, coada poliadeninei se leagă de proteina specială de legare poli(A) PABP1.
SplicingSplicing-ul este un proces în care regiunile non-codificatoare de proteine numite introni sunt îndepărtate din pre-ARNm ; secvențele care rămân poartă informații despre structura proteinei și se numesc exoni . Uneori, produsele de îmbinare pre-ARNm pot fi îmbinate în mai multe moduri, permițând unei singure gene să codifice mai multe proteine. Acest proces se numește îmbinare alternativă . Splicing-ul este de obicei realizat de un complex ARN-protein numit spliceosome , dar unele molecule de ARNm pot cataliza, de asemenea, splicing-ul fără implicarea proteinelor (vezi ribozime ) [15] .
TransportO altă diferență între eucariote și procariote este transportul ARNm. Deoarece transcripția și translația eucariote sunt separate spațial, mARN-urile eucariote trebuie mutate din nucleu în citoplasmă [16] . ARNm-urile mature sunt recunoscute prin prezența modificărilor și părăsesc nucleul prin porii nucleari ; în citoplasmă, ARNm formează complexe nucleoproteice - informozomi, în care este transportat la ribozomi . Multe ARNm conțin semnale care determină localizarea lor [17] . În neuroni , ARNm trebuie să fie transportat din corpul neuronilor la dendrite , unde translația are loc ca răspuns la stimuli externi [18] .
Exportul ARNm se realizează cu participarea unui complex de factori de transport Mex67-Mtr2 (în drojdie) sau TAP-p15 (în organisme multicelulare) [19] . Cu toate acestea, acest complex nu se leagă ARNm direct, ci prin intermediul proteinei adaptoare Yra1 (în drojdie ) sau ALY/REF (în organisme multicelulare), care este una dintre subunitățile complexului proteic TREX. La rândul său, TREX este recrutat în complexul cu ARNm datorită interacțiunii directe a ALY/REF cu subunitatea CBC80 a complexului de legare a capacului [20] . Acest mecanism asigură atașarea complexului de transport aproape de capătul 5’ al ARNm și direcția corespunzătoare a transportului acestuia, cu capătul 5’ spre citoplasmă.
ARNm eucariote suferă metilare post-transcripțională . Cea mai frecventă modificare este metilarea resturilor de adenozină în poziţia N6 cu formarea de N6 - metiladenozină (m6A ). Acest proces este catalizat de enzimele N6 -adenozin metiltransferazei, care recunosc reziduurile de adenozină în secvențele consens GAC (70% din cazuri) și AAC (30% din cazuri). Demetilazele corespunzătoare catalizează procesul de demetilare inversă. Ținând cont de reversibilitatea și dinamismul procesului de metilare a ARNm, precum și de concentrația crescută a m 6 A în exoni lungi și în jurul codonilor stop , se presupune că metilarea ARNm îndeplinește o funcție de reglare [21] .
Deoarece ARNm procariotic nu trebuie procesat și transportat, traducerea de către ribozom poate începe imediat după transcripție. Prin urmare, se poate spune că traducerea în procariote este co -locată cu transcripția și are loc co-transcripțional .
ARNm eucariotic trebuie procesat și livrat de la nucleu la citoplasmă și numai atunci poate fi tradus de ribozom. Translația poate apărea atât pe ribozomii localizați în citoplasmă într-o formă liberă, cât și pe ribozomii asociați cu pereții reticulului endoplasmatic . Astfel, la eucariote, traducerea nu este direct cuplată cu transcripția.
Deoarece transcripția este combinată cu translația în procariote, o celulă procariotă poate răspunde rapid la schimbările din mediu prin sintetizarea de noi proteine, adică reglarea are loc în principal la nivelul transcripției . La eucariote, din cauza necesității procesării și transportului ARNm, răspunsul la stimuli externi durează mai mult. Prin urmare, sinteza lor proteică este intens reglată la nivel post-transcripțional. Nu orice ARNm matur este tradus, deoarece există mecanisme în celulă pentru reglarea expresiei proteinelor la nivel post-transcripțional, de exemplu, interferența ARN .
Unele ARNm conțin de fapt doi codoni de terminare tandem (codoni de oprire) - adesea aceștia sunt codoni de diferite tipuri la sfârșitul secvenței de codare [22] .
ARNm matur constă din mai multe regiuni care diferă ca funcție: „5’-cap”, regiunea 5’-netradusă, regiunea codificatoare (tradusă), regiunea 3’-netradusă și „coada” 3’-poliadenină.
5'-cap (din limba engleză cap - cap) este o nucleotidă de guanozină modificată care se adaugă la capătul 5'- ( frontal ) al ARNm imatur. Această modificare este foarte importantă pentru recunoașterea ARNm în timpul inițierii translației , precum și pentru protecția împotriva 5’-nucleazelor, enzime care distrug lanțurile de acid nucleic cu un capăt 5’ neprotejat.
Regiunile codificatoare sunt alcătuite din codoni , care sunt secvențe de trei nucleotide imediat următoare, fiecare dintre acestea corespunzând în codul genetic unui anumit aminoacid sau începutului și sfârșitului sintezei proteinelor. Regiunile de codificare încep cu un codon de început și se termină cu unul dintre cei trei codon de oprire. Citirea secvenței codonilor și asamblarea pe baza ei a secvenței de aminoacizi a moleculei de proteină sintetizată este efectuată de ribozomi cu participarea ARN-urilor de transport în procesul de translație . În plus față de codificarea proteinelor, porțiuni din regiunile de codificare pot servi ca secvențe de control. De exemplu, structura secundară a ARN-ului în unele cazuri determină rezultatul translației.
Un ARNm se numește monocistronic dacă conține informațiile necesare pentru traducerea unei singure proteine (un cistron ). ARNm policistronic codifică mai multe proteine. Genele (cistronii) în astfel de ARNm sunt separate prin secvențe intergenice, necodificatoare. ARNm policistronici sunt caracteristici procariotelor și virusurilor ; la eucariote, cea mai mare parte a ARNm este monocistronic [23] [24] [25] .
Regiunile netraduse sunt regiuni de ARN situate înainte de codonul de pornire și după codonul de oprire care nu codifică o proteină. Ele sunt numite regiunea 5’-netradusă și, respectiv, regiunea 3’-netradusă. Aceste regiuni sunt transcrise ca parte a aceleiași transcrieri ca și regiunea de codificare. Regiunile netraduse au mai multe funcții în ciclul de viață ARNm, inclusiv reglarea stabilității ARNm, localizarea ARNm și eficiența translației. Stabilitatea ARNm poate fi controlată de regiunea 5’ și/sau 3’ datorită sensibilității diferite la enzimele care sunt responsabile de degradarea ARN - RNazele și proteinele reglatoare care accelerează sau încetinesc degradarea [26] .
Secvența lungă (de multe ori câteva sute de nucleotide) de baze adeninică care este prezentă pe coada 3’ a ARNm eucariotic este sintetizată de enzima poliadenilat polimeraza. La eucariotele superioare, la ARN-ul transcris se adaugă o coadă poli(A), care conține o secvență specifică, AAUAAA. Importanța acestei secvențe poate fi văzută în exemplul unei mutații a genei 2 - globinei umane care schimbă AAUAAA în AAUAAG, rezultând o globină insuficientă în organism [27] .
Pe lângă structura primară (secvența de nucleotide), ARNm are o structură secundară. Spre deosebire de ADN, a cărui structură secundară se bazează pe interacțiuni intermoleculare (dubla helix a ADN-ului este formată din două molecule liniare legate între ele pe toată lungimea prin legături de hidrogen), structura secundară a ARNm se bazează pe interacțiuni intramoleculare (molecula liniară). „pliuri” și legături de hidrogen apar între diferite regiuni ale aceleiași molecule).
Tulpina, bucla și pseudonodul sunt exemple de structură secundară. [28]
Structurile secundare din ARNm servesc la reglarea translației. De exemplu, inserarea în proteine a aminoacizilor neobișnuiți , selenometionina și pirolizină , depinde de o buclă de tulpină situată în regiunea 3’-netradusă. Pseudonodurile servesc la schimbarea programatică a cadrului de citire al genelor. De asemenea, structura secundară servește la încetinirea degradarii anumitor ARNm [29] [30]
În ARNm-urile virale , structurile secundare complexe ( IRES ) direcționează translația independent de recunoașterea capacului și de factorii de inițiere a translației (vezi „ Inițierea translației ”).
Diferite ARNm au durate de viață diferite (stabilitate). În celulele bacteriene, o moleculă de ARNm poate exista de la câteva secunde la mai mult de o oră, iar în celulele de mamifere, de la câteva minute la câteva zile. Cu cât stabilitatea unui ARNm este mai mare, cu atât mai multe proteine pot fi sintetizate dintr-o moleculă dată. Durata de viață limitată a ARNm al unei celule permite schimbări rapide în sinteza proteinelor ca răspuns la nevoile celulare în schimbare. După un timp, determinat de secvența sa de nucleotide, în special, lungimea regiunii poliadeninei la capătul 3’ al moleculei, ARNm este degradat în nucleotidele sale constitutive cu participarea RNazelor . Până în prezent, sunt cunoscute multe mecanisme de degradare a ARNm, dintre care unele sunt descrise mai jos.
La procariote, stabilitatea ARNm este mult mai mică decât la eucariote. Degradarea ARNm în celulele procariote are loc sub acțiunea unei combinații de ribonucleaze, inclusiv endonucleaze, 3’-exonucleaze și 5’-exonucleaze. În unele cazuri, moleculele mici de ARN cu lungime de la zeci la sute de nucleotide pot stimula degradarea ARNm prin împerecherea complementară cu secvențele corespunzătoare din ARNm și prin promovarea ribonucleazelor [31] [32] . În 2008, s-a demonstrat că bacteriile au ceva ca un capac, un trifosfat la capătul 5’ [33] . Îndepărtarea celor doi fosfați lasă un monofosfat la capătul 5’, determinând scindarea ARNm de către endonucleaza RNază E.
De obicei, degradarea începe cu îndepărtarea capacului la capătul 5', a cozii poliadeninei la capătul 3', iar apoi nucleazele degradează simultan ARNm în direcţiile 5' -> 3' şi 3' -> 5'. ARNm în care semnalul pentru finalizarea sintezei proteinelor, codonul stop, este situat în mijlocul secvenței de codificare ca urmare a unei erori de transcripție, este supus unei forme speciale de degradare rapidă, NMD .
Recent, s-au dezvoltat metode foarte sensibile care fac posibilă analiza „transcriptomului” din probe de 50-100 de celule în dimensiune [34] [35] [36] .
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
de ARN | Tipuri|
---|---|
Biosinteza proteinelor | |
procesarea ARN |
|
Reglarea expresiei genelor |
|
elemente de reglare cis | |
Elemente parazite | |
Alte |
|
de acizi nucleici | Tipuri||||
---|---|---|---|---|
Baze azotate | ||||
Nucleozide | ||||
Nucleotide | ||||
ARN | ||||
ADN | ||||
Analogii | ||||
Tipuri de vectori |
| |||
|