ARN mesager de transfer (ARNtm, ARN mesager de transfer în engleză ), cunoscut și sub denumirea de ARN- 10Sa și ARN -SsrA [1] , este un ARN mic cu lungimea de 260 până la 430 de nucleotide , care este implicat în eliberarea ribozomilor „blocați” în timpul traducerea zonelor problematice ale ARNm , precum și distrugerea peptidelor defecte rezultate din traducerea incompletă . Mecanismul de eliberare a unui ribozom cu un ARNm defect cu participarea ARNtm se numește trans -translație . Primul ARNtm a fost descoperit în 1994 [2] în Escherichia coli , iar de atunci ARNtm au fost descrise în diferite grupuri de bacterii [3] . Genele ARNtm se găsesc în genomul aproape tuturor bacteriilor și al multor organite [4] .
După cum sugerează și numele, ARNtm combină proprietățile atât ale ARNt , cât și ale ARNm, iar moleculele de ARNtm conțin domenii care sunt similare structural și funcțional cu ARNt și ARNm. Cu toate acestea, ARNtm este de aproape cinci ori mai mare decât ARNt. Porțiunile extrem de conservate ale moleculei formează o structură similară cu tulpina acceptor de ARNt. Alături de aceste regiuni sunt secvențe care sunt similare cu bucla T și D a ARNt și au modificări nucleotidice corespunzătoare . Împreună, aceste regiuni formează o structură similară cu forma L a ARNt, însă lipsită de anticodon [5] .
Domeniul asemănător ARNm este reprezentat de partea centrală a moleculei de ARNtm , care conține un cadru de citire deschis care codifică o peptidă de 10-27 aminoacizi și se termină cu un codon stop . Nu are un codon de pornire , astfel încât traducerea sa normală este imposibilă. Scurtarea sau prelungirea cadrului deschis de citire cu un codon este permisă fără a perturba funcționarea trans - translației [1] . De la capătul 5’, domeniul asemănător ARNm este adiacent secvenței care formează pseudonodul , iar de la capătul 3’, există încă trei pseudonoduri. Pseudonoduri joacă un rol important în interacțiunea moleculei cu ribozomii și factorii de translație [6] . Pseudonodurile sunt de obicei conservate, dar uneori suferă modificări, de exemplu la cianobacterii ultimul pseudonod este înlocuit cu două pseudonoduri mai mici dispuse în tandem. În timpul trans -translației, împerecherea bazelor în zona ultimelor trei pseudonoduri este distrusă [7] [8] .
În unele cazuri, se observă permutări circulare în ARNtm (adică un fragment al genei ARNtm care codifică una dintre cele două părți funcționale ale ARNtm este întors în direcția opusă, datorită căruia ARNtm este format din două fragmente separate). Ele sunt caracteristice tuturor α-proteobacteriilor și mitocondriilor primitive ale protistilor din grupul Jakobida , două grupuri de cianobacterii ( genul Gloeobacter și o cladă care conține genul Prochlorococcus și multe specii din genul Synechococcus ) , precum și pentru unele β-proteobacterii , de exemplu Cupriavidus . Astfel de ARNtm constau din două părți: acceptor și codificare, în plus, nu conțin niciodată mai mult de două pseudonoduri [9] [10] .
O celulă tipică de E. coli conține aproximativ 500 de copii de ARNtm. La fel ca multe alte ARN, ARNtm suferă o procesare post -transcripțională , care constă în îndepărtarea mai multor nucleotide de la ambele capete de către mai multe RNaze , inclusiv RNase P , care funcționează și în maturarea ARNt, precum și exonucleazele RNază T și RNază PH [11] [12] . ARNtm procesat se leagă de proteina SmpB , iar complexul rezultat este recunoscut de alanil-ARNt sintetaza , care adaugă un rest de alanină la capătul 3’ al ARNtm [13] . Spre deosebire de multe alte sintetaze aminoacil-ARNt, alanina aminoacil-ARNt sintetaza nu recunoaște anticodonul ARNt aminoacilat, deci poate funcționa și cu ARNtm lipsit de anticodon [14] . A treia pereche de baze a tulpinii acceptoare este non-Watson-Crick, G - U , și ea este cea care este recunoscută de alanin-ARNt sintetaza [5] .
Uneori, tmRNA-urile sunt codificate de elemente genetice mobile , de exemplu, ele sunt prezente în 10% dintre micobacteriofagi [15] . Multe elemente transpozabile perturbă genele ARNtm. Acestea includ introni de tip I auto-splicing , elemente palindromic rickettsia și insule genomice care codifică integraza [16] [17] [18] [19] .
În 2015, a fost lansată baza de date a site-ului tmRNA , care conține secvențe de tmRNA, aliniamentele și adnotările acestora, precum și secvențele proteinei SmpB, care este strâns legată de tmRNA [4] .
SmpB este cea mai importantă proteină care se leagă de ARNtm. Este la fel de puternic conservat printre bacterii ca ARNtm. SmpB se leagă de domeniul asemănător ARNt al ARNtm și previne distrugerea ARNtm în timp ce se află în afara ribozomului și, de asemenea, îmbunătățește aminoacilarea ARNtm. Domeniul globular al proteinei interacționează cu domeniul asemănător ARNt , datorită căruia absența jumătății inferioare a formei L a ARNt în ARNt este compensată. Astfel, domeniul asemănător ARNt imită ARNt în complex cu SmpB. Ribozomul E. coli are cel puțin două situsuri de legare SmpB, unul în situsul A și celălalt în situsul său P, datorită cărora complexul de ARNtm și ARNt care imită SmpB este, de asemenea, păstrat în ribozom. În plus față de SmpB, proteina ribozomală S1 și factorul de alungire a translației EF-Tu se pot lega la ARNtm . S1 nu este necesar pentru primele evenimente de translație (înainte de formarea unei noi legături peptidice ), dar poate fi important pentru etapele ulterioare. EF-Tu în complex cu GTP se leagă de ARNtm purtând un reziduu de alanină și îl livrează la situsul A al ribozomului, ca în traducerea normală [5] .
Oprirea ribozomului pe ARNm poate apărea dacă nu conține un codon stop, dacă conține un grup de codoni pentru care nu există ARNt aminoacilati în celulă și, de asemenea, în cazurile în care ARNm formează o structură tridimensională stabilă care interferează cu avansarea ribozomului. Cu toate acestea, se remarcă faptul că unele ARNm sunt supuse trans - translației mult mai des decât altele și diferite ARNm-uri suferă trans -translație activă în diferite specii bacteriene . După livrarea complexului ARNtm cu SmpB, GTP este hidrolizat la GDP , provocând rearanjamente conformaționale , datorită cărora EF-Tu din complexul cu GDP părăsește ribozomul, iar domeniul asemănător ARNt purtător de alanină asociat cu SmpB apare în Un site. În timpul acestui proces, coada C-terminală a SmpB interacționează cu canalul ARNm situat în spatele site-ului A. Dacă există ARNm în canal, interacțiunea nu va avea loc. După aceea, peptida sintetizată înainte ca ribozomul să se oprească este transferată în restul de alanină al ARNtm. Complexul rezultat al peptidei, domeniul asemănător ARNt și SmpB se deplasează de la situsul A la locul P al ribozomului și, pentru a se deplasa, conexiunea dintre coada C-terminală a SmpB și canalul ARNm trebuie fi rupt. Apoi, are loc o rearanjare conformațională a cozii C-terminale a SmpB, datorită căreia poate începe translația ARNtm [5] . Cu alte cuvinte, în loc de ARNm problematic, ribozomul începe să traducă cadrul deschis de citire în ARNt. În timpul primei translocări a ribozomului, ARNm părăsește ribozomul cu asistența factorului EF-G și este distrus de RNazele specifice . Sinteza proteinelor , în care doi ARN codificatori sunt utilizați în secvență, se numește trans - translație. Când ribozomul finalizează traducerea ARNtm, se formează o peptidă himerică, al cărei capăt C-terminal este citit din ARNtm. Joacă rolul unei etichete recunoscute de sistemele de proteoliză bacteriană care degradează peptida defectuoasă [20] .
Mutațiile ARNtm care fac imposibilă aminoacilarea blochează, de asemenea, capacitatea ARNtm de a codifica peptida tag, astfel încât funcționarea ca ARNt prevalează asupra capacității de codare [5] .
Pentru ca ARNt-ul normal să intre în situsul A al ribozomului, este necesară interacțiunea cu ARNm al anticodonului său. Cu toate acestea, ARNtm nu are un anticodon și, aparent, partea inferioară a ARNt care conține anticodonul imită SmpB. Pentru a recunoaște ribozomul care urmează să fie eliberat din transcript, este necesară hidroliza GTP. Abia după ce SmpB adoptă o conformație care îi permite să evalueze ocuparea canalului ARNm [5] .
Astfel, trans - translația este necesară pentru a preveni acumularea de peptide trunchiate și ARNm defecte în celulă . Astfel, RNaza R se leagă de SmpB în complex cu ARNtm. Se activează în condiții de stres, iar la Caulobacter crescentus activitatea sa depinde de stadiul ciclului celular [5] .
Analiza numeroaselor secvențe genomice bacteriene a arătat că ARNtm și translatarea există în fiecare celulă bacteriană. Regiunea ARNtm corespunzătoare ARNt are o secvență conservată, spre deosebire de restul moleculei. Secvența peptidei tag și lungimea sa nu sunt foarte conservate, dar ultimele sale patru resturi de aminoacizi sunt foarte conservate și formează secvența A L AA. Ea este ținta proteazei periplasmatice și proteazelor citoplasmatice dependente de ATP, care distrug polipeptidele defecte [5] . În mod curios, complexul de ARNtm de Mycobacterium tuberculosis și SmpB de E. coli este nefuncțional, în timp ce complexul de ARNtm de E. coli și SmpB de M. tuberculosis funcționează cu succes [21] .
Nu se găsește ARN bifuncțional precum ARNtm în genomul nuclear al eucariotelor . Probabil că nu au nevoie de controlul calității translațional la fel de mult ca bacteriile, din cauza diferitelor mecanisme de control al calității ARNm . În drojdie , totuși, a fost descris un mecanism similar trans - translației, realizat de proteine. În Saccharomyces cerevisiae , proteinele traduse din ARNm defect sunt ubiquitinate și țintite pentru distrugere în proteazom . Nu putem exclude posibilitatea ca eucariotele să aibă proteine bifuncționale care sunt similare ca funcție cu ARNtm [1] .
Pentru prima dată, ARNtm mitocondrial a fost găsit în protistul Reclinomonas americana din grupul Jakobida [9] . Ulterior, au fost identificați în marea majoritate a reprezentanților Jakobidei [22] [23] . Genele ARNtm au fost identificate și în genomul mitocondrial al oomicetelor [24] . ARNtm mitocondriale sunt caracterizate prin permutări circulare și constau din două părți, și numai în Jakoba libera s-a găsit o inversare care a restabilit structura normală a genei ARNtm, datorită căreia ARNtm obișnuit dintr-o singură parte este sintetizat din aceasta [23] .
Trebuie remarcat faptul că, pe lângă trans - translație, bacteriile au alte modalități de a elibera ribozomul cu ARNm problematic. Cu toate acestea, pentru unele bacterii, precum Mycoplasma genitalium , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Shigella flexneri și Mycobacterium tuberculosis , trans - translația este vitală. La acele bacterii care pot supraviețui fără ARNtm, absența trans - translației reduce rezistența celulelor la stres: temperatură ridicată sau scăzută , lipsă de nutrienți , tratament cu etanol sau calciu , expunere la acizi și diverse medicamente. Mai mult, în condiții de stres, intensitatea trans - translației crește, ceea ce este probabil asociat cu o creștere a numărului de ARNm defecte în aceste condiții. Cu o lipsă de aminoacizi, este activată endonucleaza RelE , care taie transcriptele pentru a forma ARNm fără codoni stop, care sunt distruși cu participarea tmRNA. trans -translația este, de asemenea, asociată cu reglarea expresiei genelor implicate în răspunsul la stres. În plus, atunci când ARNt este distrus de colicinele E5 și D, E. coli intră într-o stare de bacteriostază cu participarea ARNtm și SmpB [25] . Încălcarea trans - translației reduce patogenitatea unor bacterii, astfel că se dezvoltă antibiotice care perturbă acest proces [5] .
trans -translația este implicată și în procesele celulare care nu sunt asociate cu stresul. De exemplu, în Caulobacter crescentus , ciclul celular și inițierea replicării ADN sunt sub controlul trans - translației. Expresia ARNtm și SmpB în această bacterie este crescută în faza G1 târzie , cu toate acestea, la începutul replicării , ADN-ul este distrus rapid. În timpul fazei G1, ARNtm este stabil, dar la începutul fazei S este distrus de RNaza R [1] . La E. coli , în absența trans - translației, inițierea replicării ADN-ului este întârziată și rata de creștere este redusă [26] . La Bacillus subtilis , trans - translația este implicată în formarea sporilor [5] .
Numeroase asemănări structurale, cum ar fi agrafele de păr și buclele conservate, sugerează că originea ARNtm este strâns legată de ARNt. ARNtm prezintă numeroase asemănări structurale cu intronii ARNt , care în bacterii sunt introni de tip I auto -splicing. Cu toate acestea, rămâne neclar dacă ARNtm provine din ARNt cu un intron de grup I sau invers. În mod curios, alanina (singurul aminoacid care aminoacilează ARNtm) este unul dintre aminoacizii ai căror codoni au apărut în cea mai veche variantă a codului genetic ancestral ; acest lucru poate indica vechimea originii ARNtm. O serie de oameni de știință consideră ARNtm ca o legătură intermediară între lumea ARN și viața modernă bazată pe sinteza proteinelor cu ajutorul ribozomilor. Se presupune că prima formă de ARNtm a apărut prin fuziunea a două ARN-uri scurte în ac de păr; astfel de ARNt-uri au conținut o tulpină acceptor cu un intron mare, precum și un cadru de citire deschis. Probabil, vechile ARNtm aveau mai multe tulpini acceptoare care transportau alți aminoacizi în plus față de alanină. Ulterior, astfel de proto-ARNt-uri au dat naștere la ARNt și ARNm moderne, precum și la ARNtm de tip modern [14] .
| Tipuri de ARN | |
|---|---|
| Biosinteza proteinelor | |
| procesarea ARN |
|
| Reglarea expresiei genelor |
|
| elemente de reglare cis | |
| Elemente parazite | |
| Alte |
|
| Tipuri de acizi nucleici | ||||
|---|---|---|---|---|
| Baze azotate | ||||
| Nucleozide | ||||
| Nucleotide | ||||
| ARN | ||||
| ADN | ||||
| Analogii | ||||
| Tipuri de vectori |
| |||
| ||||
| Traducere în bacterii | |||
|---|---|---|---|
| |||
| subunitatea 30S |
| ||
| subunitatea 50S |
| ||
| Iniţiere |
| ||
| Elongaţie |
| ||
| Încetarea |
| ||
| Reciclare |
| ||
| Antibiotice |
| ||