Polyadenylaatio - Polyadenylation

Tyypillinen kypsän eukaryoottisen mRNA: n rakenne

Polyadenylaatio on poly (A) hännän lisääminen RNA -transkriptiin, tyypillisesti lähetti -RNA: han (mRNA). Poly (A) -häntä koostuu useista adenosiinimonofosfaateista ; toisin sanoen se on RNA -osa, jossa on vain adeniiniemäksiä . In eukaryooteissa polyadenylaatiosekvenssejä, on osa prosessia, joka tuottaa kypsän mRNA varten käännös . Monissa bakteereissa poly (A) -häntä edistää mRNA: n hajoamista. Siksi se on osa laajempaa geenien ilmentymisprosessia .

Prosessi polyadenylaa- alkaa, koska transkriptio on geenin päättyy . 3'-eniten segmentti äskettäin tehty pre-mRNA on ensin pilkotaan pois, jonka joukko proteiineja ; nämä proteiinit syntetisoivat sitten poly (A) hännän RNA: n 3' -päässä. Joissakin geeneissä nämä proteiinit lisäävät poly (A) -häntää yhteen useista mahdollisista kohdista. Siksi polyadenylaatio voi tuottaa useamman kuin yhden transkription yhdestä geenistä ( vaihtoehtoinen polyadenylaatio ), samanlainen kuin vaihtoehtoinen silmukointi .

Poly (A) -häntä on tärkeä ydinviennin, translaation ja mRNA: n vakauden kannalta. Häntä lyhenee ajan myötä, ja kun se on tarpeeksi lyhyt, mRNA hajoaa entsymaattisesti. Kuitenkin joissakin solutyypeissä mRNA: t, joilla on lyhyt poly (A) -häntä, tallennetaan myöhempää aktivointia varten uudelleen polyadenylaatiolla sytosolissa. Sitä vastoin, kun polyadenylaatio tapahtuu bakteereissa, se edistää RNA: n hajoamista. Näin on joskus myös eukaryoottisten ei-koodaavien RNA: iden tapauksessa .

mRNA-molekyyleissä sekä prokaryooteissa että eukaryooteissa on polyadenyloidut 3'-päät, ja prokaryoottiset poly (A) -pyrstöt ovat yleensä lyhyempiä ja vähemmän mRNA-molekyylejä polyadenyloituja.

Taustaa RNA: sta

RNA: n kemiallinen rakenne. Emästen sekvenssi vaihtelee RNA -molekyylien välillä.

RNA: t ovat eräänlaisia ​​suuria biologisia molekyylejä, joiden yksittäisiä rakennuspalikoita kutsutaan nukleotideiksi. Nimi poly (A) tail (polyadenyylihapon hännälle) kuvastaa tapaa, jolla RNA -nukleotidit lyhennetään, ja kirjaimen emäkselle, jota nukleotidi sisältää (A adeniinille , C sytosiinille , G guaniinille ja U urasiilille ). RNA: t tuotetaan ( transkriboidaan ) DNA -templaatista. Sopimuksen mukaan RNA -sekvenssit kirjoitetaan suuntaan 5 ′ - 3 ′. 5' -pää on se osa RNA -molekyyliä, joka transkriboidaan ensin, ja 3' -pää transkriboidaan viimeisenä. 3' -pää on myös silloin, kun poly (A) -häntä löytyy polyadenyloiduista RNA: ista.

Messenger -RNA (mRNA) on RNA, jolla on koodaava alue, joka toimii mallina proteiinisynteesille ( käännös ). Loput mRNA: sta, kääntämättömät alueet , säätävät mRNA: n aktiivisuutta. On myös monia RNA: ita, joita ei ole käännetty, joita kutsutaan ei-koodaaviksi RNA: ksi. Kääntämättömien alueiden tavoin monilla näistä ei-koodaavista RNA: ista on sääntelyrooleja.

Ydinpolyadenylaatio

Toiminto

Ydinpolyadenylaatiossa poly (A) -häntä lisätään RNA: han transkription lopussa. MRNA: ssa poly (A) -häntä suojaa mRNA -molekyyliä entsymaattiselta hajoamiselta sytoplasmassa ja auttaa transkription lopettamisessa, mRNA: n viennissä ytimestä ja translaatiossa. Lähes kaikki eukaryoottiset mRNA: t ovat polyadenyloituja, lukuun ottamatta eläinten replikaatiosta riippuvaisia histoni- mRNA: ita. Nämä ovat ainoat eukaryoottien mRNA: t, joilla ei ole poly (A) -päätä, ja jotka päättyvät sen sijaan varsisilmukkarakenteeseen , jota seuraa puriinirikas sekvenssi, jota kutsutaan histonin alavirran elementiksi, joka ohjaa RNA: n leikkauskohdan siten, että 3'-pää histonin mRNA: sta muodostuu.

Monet eukaryoottiset ei-koodaavat RNA: t ovat aina polyadenyloituja transkription lopussa. On pieniä RNA: ita, joissa poly (A) -häntä näkyy vain välimuodoissa eikä kypsässä RNA: ssa, koska päät poistetaan käsittelyn aikana, joista merkittävimmät ovat mikroRNA: t . Mutta monille pitkille ei -koodaaville RNA: ille  - näennäisesti suuri ryhmä sääteleviä RNA: ita, joihin kuuluu esimerkiksi RNA Xist , joka välittää X -kromosomin inaktivaation  - poly (A) -häntä on osa kypsää RNA: ta.

Mekanismi

Tuottavia polyadenylaa- tumassa eukaryoottien teosten tuotteiden RNA-polymeraasi-II , kuten esiaste-mRNA . Tässä moniproteiinikompleksi (katso komponentit oikealla) katkaisee vastavalmistetun RNA: n 3'-suurimman osan ja polyadenylaatit tämän katkaisun tuottaman pään. Pilkkoutumista katalysoi CPSF -entsyymi, ja se tapahtuu 10–30 nukleotidia sen sitoutumiskohdan jälkeen. Tällä sivustolla on usein RNA: ssa polyadenylaatiosignaalisekvenssi AAUAAA, mutta sen muunnelmia, jotka sitoutuvat heikommin CPSF: ään, on olemassa. Kaksi muuta proteiinia lisää spesifisyyttä sitoutumiseen RNA: han: CstF ja CFI. CstF sitoutuu GU-rikkaaseen alueeseen, joka sijaitsee CPSF-sivuston alavirtaan. CFI tunnistaa kolmannen kohdan RNA: sta (joukko UGUAA -sekvenssejä nisäkkäissä) ja voi värvätä CPSF: n, vaikka AAUAAA -sekvenssi puuttuisi. Polyadenylaatiosignaali - RNA: n katkaisukompleksin tunnistama sekvenssimotiivi - vaihtelee eukaryoottiryhmien välillä. Useimmat ihmisen polyadenylaatiokohdat sisältävät AAUAAA -sekvenssin, mutta tämä sekvenssi on harvinaisempi kasveissa ja sienissä.

RNA katkaistaan ​​tyypillisesti ennen transkription päättymistä, koska CstF sitoutuu myös RNA -polymeraasi II: een. Huonosti ymmärretyn mekanismin kautta (vuodesta 2002) se antaa signaalin RNA -polymeraasi II: n liukumisesta transkriptistä. Katkaisu sisältää myös CFII -proteiinin, vaikka ei tiedetä miten. Polyadenylaatiosignaaliin liittyvä katkaisukohta voi vaihdella jopa noin 50 nukleotidiin.

Kun RNA pilkotaan, alkaa polyadenylaatio, jota katalysoi polyadenylaattipolymeraasi. Polyadenylaatin polymeraasi perustuu poly (A) häntä lisäämällä adenosiinimonofosfaatin yksiköitä adenosiinitrifosfaatista RNA, lohkaisemalla pyrofosfaatti . Toinen proteiini, PAB2, sitoutuu uuteen lyhyeen poly (A) -häntään ja lisää polyadenylaattipolymeraasin affiniteettia RNA: han. Kun poly (A) -häntä on noin 250 nukleotidia pitkä, entsyymi ei voi enää sitoutua CPSF: ään ja polyadenylaatio pysähtyy, jolloin poly (A) hännän pituus määritetään. CPSF on kosketuksissa RNA -polymeraasi II: n kanssa, jolloin se voi antaa signaalin polymeraasille transkription lopettamisesta. Kun RNA -polymeraasi II saavuttaa "terminaatiosekvenssin" (⁵'TTTATT³ 'DNA -templaatissa ja ⁵'AAUAAA³' ensisijaisessa transkriptissä), transkription loppu merkitään. Polyadenylaatiokoneisto on myös fyysisesti liitetty spliceosomiin , kompleksiin, joka poistaa intronit RNA: sta.

Myöhemmät vaikutukset

Poly (A) -häntä toimii poly (A)-sitovan proteiinin sitoutumiskohtana . Poly (A) sitova proteiini edistää vientiä ytimestä ja translaatiota ja estää hajoamista. Tämä proteiini sitoutuu poly (A) -häntään ennen mRNA: n vientiä ytimestä ja värvää hiivassa myös poly (A) -nukleaasia, entsyymiä, joka lyhentää poly (A) -häntää ja mahdollistaa mRNA: n viennin. Poly (A) sitova proteiini viedään sytoplasmaan RNA: n kanssa. mRNA: t, joita ei viedä, hajoavat eksosomissa . Poly (A) sitova proteiini voi myös sitoutua useisiin translaatioon vaikuttaviin proteiineihin ja siten rekrytoida niitä, joista yksi on aloitustekijä -4G, joka puolestaan ​​värvää 40S ribosomaalisen alayksikön. Poly (A) -häntää ei kuitenkaan vaadita kaikkien mRNA: iden kääntämiseen. Lisäksi poly (A) -pyrstö (oligo-adenylaatio) voi määrittää sellaisten RNA-molekyylien kohtalon, jotka eivät yleensä ole poly (A) -häntäisiä (kuten (pienet) ei-koodaavat (sn) RNA: t jne.), Ja indusoida siten niiden RNA: ta rappeutuminen.

Deadenylaatio

Eukaryoottisissa somaattisissa soluissa useimpien sytoplasman mRNA: iden poly (A) -häntä lyhenee vähitellen, ja mRNA: t, joilla on lyhyempi poly (A) -häntä, kääntyvät vähemmän ja hajoavat nopeammin. MRNA: n hajoaminen voi kuitenkin viedä monta tuntia. Tätä deadenylaatio- ja hajoamisprosessia voidaan nopeuttaa mikroRNA: lla, joka on komplementaarinen mRNA: n 3' -kääntämättömän alueen kanssa. Vuonna kypsymättömiä munasoluja , mRNA: lyhennettyjä poly (A) hännät eivät hajoa, vaan ne tallennetaan ja luennan toimeton. Nämä lyhythäntäiset mRNA: t aktivoituvat sytoplasmisen polyadenylaation avulla hedelmöityksen jälkeen munasolun aktivoitumisen aikana .

Eläimissä poly (A) ribonukleaasi ( PARN ) voi sitoutua 5' -korkkiin ja poistaa nukleotidit poly (A) hännästä. Pääsyn taso 5 ′ korkkiin ja poly (A) häntään on tärkeä kontrolloitaessa kuinka nopeasti mRNA hajoaa. PARN kuolluttaa vähemmän, jos aloitustekijät 4E (5' -korkissa) ja 4G (poly (A) -häntä) sitovat RNA: n, minkä vuoksi translaatio vähentää deadenylaatiota. Deadenylaation nopeutta voidaan säätää myös RNA: ta sitovilla proteiineilla. Lisäksi RNA -kolmoiskierrerakenteet ja RNA -motiivit, kuten poly (A) hännän 3' -pään sitoutumistasku, hidastavat kuolleisuuden poistoprosessia ja estävät poly (A) hännän poistoa. Kun poly (A) -häntä on poistettu, katkaisukompleksi poistaa 5' -korkin, mikä johtaa RNA: n hajoamiseen. Useat muut proteiinit osallistuvat kuolleen muodostumiseen orastavassa hiivassa ja ihmissoluissa, erityisesti CCR4-Not- kompleksissa.

Sytoplasminen polyadenylaatio

On polyadenylaa- sytosolissa joidenkin eläinten solutyyppien, nimittäin iturataan , alkupuolella alkionkehityksen ja jälkeisissä synaptisen kohtiin hermosolujen . Tämä pidentää mRNA: n poly (A) häntää lyhennetyllä poly (A) hännällä, niin että mRNA käännetään . Nämä lyhennetyt poly (A) hännät ovat usein alle 20 nukleotidia ja pidentyvät noin 80–150 nukleotidiksi.

Varhaisessa hiiren alkiossa äidin RNA: iden sytoplasminen polyadenylaatio munasolusta sallii solun selviytyä ja kasvaa, vaikka transkriptio alkaa vasta 2-soluvaiheen puolivälissä (4-soluvaihe ihmisessä). Aivoissa sytoplasminen polyadenylaatio on aktiivinen oppimisen aikana ja sillä voi olla merkitystä pitkäaikaisessa tehostumisessa , joka on signaalinsiirron vahvistaminen hermosolusta toiseen vastauksena hermoimpulsseihin ja on tärkeä oppimisen ja muistinmuodostuksen kannalta.

Sytoplasminen polyadenylaatio vaatii RNA: ta sitovia proteiineja CPSF ja CPEB , ja se voi sisältää muita RNA: ta sitovia proteiineja, kuten Pumilio . Solutyypistä riippuen polymeraasi voi olla samantyyppinen polyadenylaattipolymeraasi (PAP), jota käytetään ydinprosessissa , tai sytoplasminen polymeraasi GLD-2 .

Tulokset eri polyadenylaatiokohtien käytöstä samassa geenissä

Vaihtoehtoinen polyadenylaatio

Monilla proteiinia koodaavilla geeneillä on useampi kuin yksi polyadenylaatiokohta, joten geeni voi koodata useita mRNA: ita, jotka eroavat toisistaan 3'-päässä . Transkriptin 3' -alue sisältää monia polyadenylaatiosignaaleja (PAS). Kun proksimaalisempia (lähempänä 5' -päätä) PAS -kohtia käytetään, tämä lyhentää transkription 3 'kääntämättömän alueen (3' UTR) pituutta. Sekä ihmisillä että kärpäsillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet kudosspesifisen APA: n. Kun hermosolukudokset suosivat distaalista PAS: n käyttöä, mikä johtaa pidempiin 3 'UTR: iin ja kiveksen kudokset mieluummin proksimaaliseen PAS: iin, mikä johtaa lyhyempiin 3' UTR: iin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että geenin säilyttämistason ja sen taipumuksen tehdä vaihtoehtoinen polyadenylaatio välillä on korrelaatio, ja erittäin konservoituneilla geeneillä on enemmän APA: ta. Samoin voimakkaasti ekspressoidut geenit noudattavat samaa kaavaa. Ribosekvensointitiedot (vain mRNA: iden sekvensointi ribosomien sisällä) ovat osoittaneet, että mRNA-isoformit, joilla on lyhyemmät 3'-UTR: t, käännetään todennäköisemmin.

Koska vaihtoehtoinen polyadenylaatio muuttaa 3 'UTR: n pituutta , se voi myös muuttaa sitä, mitkä sitoutumiskohdat ovat käytettävissä mikroRNA : ille 3' -UTR: ssä. MikroRNA: t pyrkivät estämään translaatiota ja edistämään niiden mRNA: iden hajoamista, joihin ne sitoutuvat, vaikka on olemassa esimerkkejä mikroRNA: sta, jotka stabiloivat transkripteja. Vaihtoehtoinen polyadenylaatio voi myös lyhentää koodaavaa aluetta, jolloin mRNA -koodi muodostuu eri proteiinille, mutta tämä on paljon harvinaisempaa kuin vain lyhentää 3' -kääntämätöntä aluetta.

Poly (A) -kohdan valintaan voivat vaikuttaa solunulkoiset ärsykkeet ja se riippuu polyadenylaatioon osallistuvien proteiinien ilmentymisestä. Esimerkiksi pilkkoutumista stimuloivan tekijän (CstF) alayksikön CstF-64: n ekspressio kasvaa makrofageissa vasteena lipopolysakkarideille (ryhmä bakteeriyhdisteitä, jotka laukaisevat immuunivasteen). Tämä johtaa heikkojen poly (A) -kohtien valintaan ja siten lyhyempiin transkripteihin. Tämä poistaa säätelyelementit mRNA: iden 3'-kääntämättömiltä alueilta puolustukseen liittyville tuotteille, kuten lysotsyymille ja TNF-a: lle . Näillä mRNA: lla on sitten pidempi puoliintumisaika ja ne tuottavat enemmän näitä proteiineja. Muut RNA: ta sitovat proteiinit kuin polyadenylaatiokoneiston proteiinit voivat myös vaikuttaa siihen, käytetäänkö polyadenylaatiokohtaa, samoin kuin DNA: n metylaatio lähellä polyadenylaatiosignaalia.

Merkitseminen hajoamiseen eukaryooteissa

Monille ei-koodaaville RNA: ille , mukaan lukien tRNA , rRNA , snRNA ja snoRNA , polyadenylaatio on tapa merkitä RNA hajoamista varten, ainakin hiivassa . Tämä polyadenylaatio suoritetaan ytimessä TRAMP -kompleksilla , joka ylläpitää häntä, joka on noin 4 nukleotidia pitkä 3' -päähän. Sitten eksosomi hajottaa RNA: n . Poly (A) pyrstöjä on myös löydetty ihmisen rRNA -fragmentteista, sekä homopolymeeristen (vain A) että heterpolymeeristen (enimmäkseen A) pyrstöjen muodossa.

Prokaryooteissa ja organelleissa

Polyadenylaatio bakteereissa auttaa polynukleotidifosforylaasia hajoamaan toissijaisen rakenteen ohi

Monissa bakteereissa sekä mRNA: t että ei-koodaavat RNA: t voidaan polyadenyloida. Tämä poly (A) -häntä edistää hajoamista degradosomilla , joka sisältää kaksi RNA: ta hajottavaa entsyymiä: polynukleotidifosforylaasia ja RNaasi E: tä . Polynukleotidifosforylaasi sitoutuu RNA: iden 3' -päähän ja poly (A) hännän tarjoama 3' -pidennys sallii sen sitoutua RNA: iin, joiden toissijainen rakenne muutoin estäisi 3' -pään. Peräkkäiset polyadenylaatiokierrokset ja 3' -pään hajoaminen polynukleotidifosforylaasin avulla mahdollistavat hajoamisen näiden sekundaaristen rakenteiden voittamiseksi. Poly (A) -häntä voi myös rekrytoida RNaaseja, jotka leikkaavat RNA: n kahtia. Nämä bakteeri -poly (A) hännät ovat noin 30 nukleotidia pitkiä.

Niin eri ryhmien, kuten eläinten ja trypanosoomien , mitokondriot sisältävät sekä stabilointi- ja epävakautta poly (A) hännät. Destabilisoiva polyadenylaatio kohdistaa sekä mRNA: n että ei -koodaavat RNA: t. Poly (A) hännät ovat keskimäärin 43 nukleotidia pitkiä. Stabiloivat alkavat pysäytyskodonista, ja ilman niitä pysäytyskodoni (UAA) ei ole täydellinen, koska genomi koodaa vain U- tai UA -osaa. Kasvien mitokondrioilla on vain epävakauttavaa polyadenylaatiota. Mitokondrioiden polyadenylaatiota ei ole koskaan havaittu orastavassa tai fissiohiivassa.

Vaikka monilla bakteereilla ja mitokondrioilla on polyadenylaattipolymeraaseja, niillä on myös toisenlainen polyadenylaatiotyyppi, jonka suorittaa itse polynukleotidifosforylaasi . Tämä entsyymi löytyy bakteereista, mitokondrioita, plastideissa ja aineosana arkkiorganismi Eksosomi (niissä arkkien , joilla on Eksosomi ). Se voi syntetisoida 3' -laajennuksen, jossa valtaosa emäksistä on adeniinit. Kuten bakteereissa, polynukleotidifosforylaasin polyadenylaatio edistää RNA: n hajoamista plastideissa ja todennäköisesti myös arkeassa.

Evoluutio

Vaikka polyadenylaatio näkyy lähes kaikissa organismeissa, se ei ole universaali. Kuitenkin, laaja jakelu tämän muutoksen ja se, että se on läsnä organismeissa kaikista kolmesta verkko- elämän merkitsee sitä, että viimeinen yleinen yhteinen esi-isä kaikkien elävien organismien, oletetaan, oli jonkinlainen polyadenylaa- järjestelmän. Muutamat organismit eivät polyadenyloi mRNA: ta, mikä tarkoittaa, että ne ovat menettäneet polyadenylaatiokoneensa evoluution aikana. Vaikka ei tunneta esimerkkejä eukaryooteista, joilla ei ole polyadenylaatiota, Mycoplasma gallisepticum -bakteerin ja suolaa sietävän arkealaisen Haloferax volcanii: n mRNA: t puuttuvat tästä muutoksesta.

Vanhin polyadenyloiva entsyymi on polynukleotidifosforylaasi . Tämä entsyymi on osa sekä bakteerien degradosomia että arkeologista eksosomia , kahta läheisesti sukua olevaa kompleksia, jotka kierrättävät RNA: ta nukleotideiksi. Tämä entsyymi hajottaa RNA: n hyökkäämällä 3'-eniten nukleotidien väliseen sidokseen fosfaatilla ja katkaisemalla difosfaattinukleotidin. Tämä reaktio on palautuva, joten entsyymi voi myös laajentaa RNA: ta useilla nukleotideillä. Polynukleotidifosforylaasin lisäämä heteropolymeerinen häntä sisältää runsaasti adeniinia. Adeniinin valinta on todennäköisesti seurausta korkeammista ADP -pitoisuuksista kuin muut nukleotidit, koska ATP: tä käytetään energiavaluuttana, mikä tekee siitä todennäköisemmin sisällytettävän tähän häntään varhaisissa elämänmuodoissa. On ehdotettu, että adeniinipitoisten hännien osallistuminen RNA: n hajoamiseen sai aikaan polyadenylaattipolymeraasien (entsyymit, jotka tuottavat poly (A) häntiä ilman muita nukleotideja) kehittymisen myöhemmin.

Polyadenylaattipolymeraasit eivät ole niin vanhoja. Ne ovat kehittyneet erikseen sekä bakteereissa että eukaryooteissa CCA: ta lisäävästä entsyymistä , joka on entsyymi, joka täydentää tRNA: iden 3'-päät . Sen katalyyttinen domeeni on homologinen muiden polymeraasien kanssa . Oletetaan, että bakteerien CCA: ta lisäävän entsyymin horisontaalinen siirto eukaryooteihin mahdollisti arkeologisen kaltaisen CCA: ta lisäävän entsyymin toiminnan vaihtamisen poly (A) -polymeraasiksi. Jotkut suvut, kuten arkeat ja syanobakteerit , eivät koskaan kehittäneet polyadenylaattipolymeraasia.

Polyadenylaatin pyrstöt havaitaan useita RNA-viruksia , kuten influenssa A , Coronavirus , alfalfamosaiikkivirusproteiinijohtosekvenssistä , ja Ankka Hepatiitti A . Jotkut virukset, kuten HIV-1 ja poliovirus , estävät solun poly-A-sitovaa proteiinia ( PABPC1 ) korostaakseen omien geeniensä ilmentymistä isäntäsolun suhteen.

Historia

Poly (A) -polymeraasi tunnistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1960 entsymaattisena aktiivisuutena soluytimistä valmistetuissa uutteissa, jotka voisivat polymeroida ATP: n, mutta eivät ADP: tä, polyadeniiniksi. Vaikka tämä aktiivisuus tunnistettiin monissa solutyypeissä, sillä ei ollut tunnettua tehtävää ennen vuotta 1971, jolloin mRNA: sta löydettiin poly (A) -sekvenssejä. nukleaaseja, mutta myöhemmin polyadenylaation erityisroolit ydinviennissä ja translaatiossa tunnistettiin. Polyadenylaatiosta vastaavat polymeraasit puhdistettiin ja karakterisoitiin ensin 1960- ja 1970 -luvuilla, mutta suuri määrä tätä prosessia ohjaavia lisäproteiineja löydettiin vasta 1990 -luvun alussa.

Katso myös

• Simian virus 40 myöhäinen polyadenylaatiosignaali (SVLPA)

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit

• Media, joka liittyy polyadenylaatioon Wikimedia Commonsissa

((kiinnitä hännän laji))) ¿