Matricová ribonukleová kyselina ( mRNA , synonymum - messenger RNA, mRNA ) - RNA obsahující informace o primární struktuře (sekvenci aminokyselin) proteinů [1] . mRNA je syntetizována z DNA během transkripce , po které je zase použita během translace jako templát pro syntézu proteinů. mRNA tedy hraje důležitou roli v "manifestaci" ( expresi ) genů .
Typická zralá mRNA je dlouhá několik set až několik tisíc nukleotidů . Nejdelší mRNA byly zaznamenány u (+)ss RNA virů , jako jsou pikornaviry – je však třeba mít na paměti, že u těchto virů tvoří mRNA celý jejich genom .
DNA je často přirovnávána k plánům – a zároveň návodům – pro výrobu proteinů. Rozvinutím této inženýrsko-výrobní analogie můžeme říci, že pokud je DNA „kompletním souborem plánů-instrukcí pro výrobu proteinů uložených v sejfu ředitele továrny“, pak mRNA je „dočasnou pracovní kopií plánů-instrukcí pro jeden díl, vydaný v montážní dílně“. Je třeba poznamenat, že DNA neobsahuje podrobný obraz dospělého organismu, ale je spíše „receptem“ na jeho výrobu, který se aplikuje v závislosti na převládajících aktuálních podmínkách během genové exprese - některé z úplné sady pokynů jsou používané a některé ne.
Do poloviny 20. století se nashromáždila vědecká data, která umožnila dojít k závěru, že struktura proteinů je kódována úseky DNA – geny [2] . Skutečný mechanismus kódování však nebyl stanoven.
Práce J. Bracheta (1944) a T. Kasperssona (1947) ukázaly, že buňky, které aktivně syntetizují protein, obsahují v cytoplazmě velké množství RNA . Následně se ukázalo, že se to týká hlavně ribozomální RNA , nikoli mRNA, jejíž množství je v buňce relativně malé. Toto pozorování však propojilo DNA, RNA a protein a pravděpodobně sehrálo roli při naznačování možné role RNA jako prostředníka schopného přenášet informace z DNA v jádře do aparátu biosyntézy proteinů v cytoplazmě [3] .
Ve stejné době byly objeveny ribozomy – ribonukleoproteinové částice, které syntetizují protein. Bylo navrženo, že geny jsou přepisovány do ribozomů RNA, které slouží jako šablony pro syntézu proteinů [4] . V letech 1956-1958 však A. Belozersky a A. Spirin , kteří provedli srovnávací analýzu nukleotidového složení DNA a RNA řady mikroorganismů, ukázali, že s velkými odchylkami ve složení DNA, RNA různých druhy byly dost podobné [5] . To naznačuje, že velká část buněčné RNA (rRNA) neodráží nukleotidové složení DNA daného organismu a nemůže sloužit jako templát pro syntézu proteinů. Zároveň se autorům podařilo pozorovat slabou pozitivní korelaci mezi složením DNA a RNA s velkými rozdíly mezi druhy. To jim umožnilo naznačit, že kromě rRNA je v buňce další malá frakce RNA, která může zprostředkovat genovou expresi.
Nezávisle na tom E. Volkin a L. Astrachan dospěli k podobným závěrům: zjistili, že když jsou bakteriální buňky infikovány bakteriofágem T2 , zcela přejdou na syntézu virových proteinů. Zatímco většina RNA hostitelské buňky zůstává nezměněna, po infekci je syntetizováno malé množství RNA s krátkou životností, podobné složením nukleotidů jako fágová DNA [6] [7] .
V roce 1961 několik skupin výzkumníků přímo prokázalo existenci krátkotrvajícího RNA messengeru, podobného strukturou jako geny v DNA, který slouží jako templát pro syntézu proteinů vazbou na ribozomy [8] [9] .
Životní cyklus molekuly mRNA začíná jejím „přečtením“ z templátu DNA (transkripcí) a končí její degradací na jednotlivé nukleotidy. Molekula mRNA může během svého života před syntézou proteinů (translací) projít různými úpravami. Molekuly eukaryotické mRNA často vyžadují složité zpracování a transport z jádra, místa syntézy mRNA, do ribozomů, kde dochází k translaci, zatímco prokaryotické molekuly mRNA to nevyžadují a syntéza RNA je spojena se syntézou proteinů [10] .
Transkripce je proces kopírování genetické informace z DNA do RNA, zejména mRNA. Transkripci provádí enzym RNA polymeráza , který podle principu komplementarity vytváří kopii segmentu DNA založeného na jednom z řetězců dvoušroubovice. Tento proces je organizován stejným způsobem jak u eukaryot, tak u prokaryot. Hlavní rozdíl mezi pro- a eukaryoty je v tom, že u eukaryot je RNA polymeráza při transkripci spojena s enzymy zpracovávajícími mRNA, takže zpracování a transkripce mRNA u nich může probíhat současně. Krátkodobé surové nebo částečně zpracované transkripční produkty se nazývají pre-mRNA ; po kompletním zpracování - zralá mRNA .
Zatímco mRNA prokaryot ( bakterie a archaea ), až na vzácné výjimky, je okamžitě připravena k translaci a nevyžaduje speciální zpracování, eukaryotické pre-mRNA podléhají rozsáhlým úpravám. Současně s transkripcí je tedy na 5'-konec molekuly RNA přidán speciální modifikovaný nukleotid ( cap ), určité úseky RNA jsou odstraněny ( splicing ) a na 3'-konec jsou přidány adeninové nukleotidy (tzv. -nazývaný polyadenin, nebo poly (A) - , ocas) [11] . Typicky se tyto post-transkripční změny v eukaryotické mRNA označují jako zpracování mRNA.
Capping je prvním krokem ve zpracování mRNA. Dochází k němu, když syntetizovaný transkript dosáhne délky 25–30 nukleotidů [12] . Ihned po připojení čepičky na 5'-konec transkriptu se na ni naváže komplex vázající čepičku CBC ( cap binding complex ) , který zůstává navázaný na mRNA až do dokončení zpracování a je důležitý pro všechny následující kroky [13 ] . Během sestřihu jsou z pre-mRNA odstraněny sekvence nekódující protein, nazývané introny . Polyadenylace je nezbytná pro transport většiny mRNA do cytoplazmy a chrání molekuly mRNA před rychlou degradací (prodlužuje jejich poločas rozpadu). Molekuly mRNA postrádající poly(A) místo (například virové) jsou rychle zničeny v cytoplazmě eukaryotických buněk ribonukleázami .
Po dokončení všech fází zpracování je mRNA zkontrolována na nepřítomnost předčasných stop kodonů , načež se stává plnohodnotným templátem pro translaci [14] . V cytoplazmě je čepička rozpoznána iniciačními faktory , proteiny odpovědnými za připojení k mRNA ribozomu, polyadeninový konec se váže na speciální poly(A)-vazebný protein PABP1.
SpojováníSestřih je proces, při kterém jsou z pre-mRNA odstraněny oblasti nekódující proteiny nazývané introny ; sekvence, které zůstávají, nesou informaci o struktuře proteinu a nazývají se exony . Někdy mohou být sestřihové produkty pre-mRNA sestřiženy několika způsoby, což umožňuje jednomu genu kódovat více proteinů. Tento proces se nazývá alternativní spojování . Sestřih je obvykle prováděn RNA-proteinovým komplexem zvaným spliceosom , ale některé molekuly mRNA mohou také katalyzovat sestřih bez zapojení proteinů (viz ribozymy ) [15] .
DopravaDalším rozdílem mezi eukaryoty a prokaryoty je transport mRNA. Protože eukaryotická transkripce a translace jsou prostorově odděleny, musí být eukaryotické mRNA přesunuty z jádra do cytoplazmy [16] . Zralé mRNA jsou rozpoznávány přítomností modifikací a opouštějí jádro jadernými póry , v cytoplazmě tvoří mRNA nukleoproteinové komplexy - informosomy, ve kterých je transportována do ribozomů . Mnoho mRNA obsahuje signály, které určují jejich lokalizaci [17] . V neuronech musí být mRNA transportována z těla neuronů do dendritů , kde dochází k translaci v reakci na vnější podněty [18] .
Export mRNA se provádí za účasti komplexu transportních faktorů Mex67-Mtr2 (u kvasinek) nebo TAP-p15 (u mnohobuněčných organismů) [19] . Tento komplex však neváže mRNA přímo, ale prostřednictvím adaptorového proteinu Yra1 (u kvasinek ) nebo ALY/REF (u mnohobuněčných organismů), který je jednou z podjednotek proteinového komplexu TREX. Na druhé straně je TREX rekrutován do komplexu s mRNA díky přímé interakci ALY/REF s podjednotkou CBC80 komplexu vázajícího čepičku [20] . Tento mechanismus zajišťuje připojení transportního komplexu blízko 5'-konce mRNA a odpovídající směr jejího transportu, s 5'-koncem směrem k cytoplazmě.
Eukaryotické mRNA podléhají post-transkripční methylaci . Nejběžnější modifikací je methylace adenosinových zbytků v poloze N 6 za vzniku N 6 -methyladenosinu (m 6 A). Tento proces je katalyzován N 6 -adenosin methyltransferázovými enzymy, které rozpoznávají adenosinové zbytky v konsenzuálních sekvencích GAC (70 % případů) a AAC (30 % případů). Odpovídající demethylázy katalyzují proces reverzní demethylace. Vezmeme-li v úvahu reverzibilitu a dynamiku procesu metylace mRNA, stejně jako zvýšenou koncentraci m 6 A v dlouhých exonech a kolem stop kodonů , se předpokládá, že metylace mRNA plní regulační funkci [21] .
Protože prokaryotická mRNA nemusí být zpracována a transportována, translace ribozomem může začít ihned po transkripci. Proto lze říci, že translace u prokaryot je umístěna společně s transkripcí a probíhá ko-transkripčně .
Eukaryotická mRNA musí být zpracována a dopravena z jádra do cytoplazmy a teprve poté může být translatována ribozomem. Translace může nastat jak na ribozomech umístěných v cytoplazmě ve volné formě, tak na ribozomech spojených se stěnami endoplazmatického retikula . U eukaryot tedy není translace přímo spojena s transkripcí.
Protože transkripce je kombinována s translací u prokaryot, prokaryotická buňka může rychle reagovat na změny v prostředí syntetizací nových proteinů, to znamená, že k regulaci dochází hlavně na úrovni transkripce . U eukaryot kvůli nutnosti zpracování a transportu mRNA trvá reakce na vnější podněty déle. Jejich proteinová syntéza je proto intenzivně regulována na post-transkripční úrovni. Ne každá zralá mRNA je translatována, protože v buňce existují mechanismy pro regulaci proteinové exprese na post-transkripční úrovni, například RNA interference .
Některé mRNA ve skutečnosti obsahují dva tandemové terminační kodony (stop kodony) — často se jedná o kodony různých typů na konci kódující sekvence [22] .
Zralá mRNA se skládá z několika oblastí, které se liší funkcí: "5'-cap", 5'-nepřekládaná oblast, kódující (přeložená) oblast, 3'-nepřekládaná oblast a 3'-polyadeninový "ocas".
5'-cap (z anglického cap - cap) je modifikovaný guanosinový nukleotid , který je přidán na 5'- ( přední ) konec nezralé mRNA. Tato modifikace je velmi důležitá pro rozpoznání mRNA během iniciace translace , stejně jako pro ochranu proti 5'-nukleázám, enzymům, které ničí řetězce nukleové kyseliny s nechráněným 5'-koncem.
Kódující oblasti jsou tvořeny kodony , což jsou sekvence tří nukleotidů bezprostředně následujících za sebou, z nichž každý odpovídá v genetickém kódu určité aminokyselině nebo začátku a konci syntézy proteinu. Kódující oblasti začínají start kodonem a končí jedním ze tří stop kodonů. Čtení kodonové sekvence a sestavení na jejím základě aminokyselinové sekvence syntetizované molekuly proteinu provádějí ribozomy za účasti transportních RNA v procesu translace . Kromě kódujících proteinů mohou části kódujících oblastí sloužit jako kontrolní sekvence. Například sekundární struktura RNA v některých případech určuje výsledek translace.
mRNA se nazývá monocistronní, pokud obsahuje informace nezbytné pro translaci pouze jednoho proteinu (jeden cistron ). Polycistronní mRNA kóduje několik proteinů. Geny (cistrony) v takové mRNA jsou odděleny intergenovými, nekódujícími sekvencemi. Polycistronní mRNA jsou charakteristické pro prokaryota a viry , u eukaryot je většina mRNA monocistronní [23] [24] [25] .
Netranslatované oblasti jsou oblasti RNA umístěné před start kodonem a za stop kodonem, které nekódují protein. Nazývají se 5'-nepřekládaná oblast, respektive 3'-nepřekládaná oblast. Tyto oblasti jsou transkribovány jako část stejného transkriptu jako kódující oblast. Netranslatované oblasti mají v životním cyklu mRNA několik funkcí, včetně regulace stability mRNA, lokalizace mRNA a účinnosti translace. Stabilita mRNA může být řízena 5'- a/nebo 3'- oblastí díky rozdílné citlivosti na enzymy , které jsou zodpovědné za degradaci RNA – RNázy a regulační proteiny, které urychlují nebo zpomalují degradaci [26] .
Dlouhá (často několik set nukleotidů) sekvence adeninových bází, která je přítomna na 3' konci eukaryotické mRNA , je syntetizována enzymem polyadenylát polymerázou. U vyšších eukaryot je k transkribované RNA přidán poly(A) konec, který obsahuje specifickou sekvenci AAUAAA. Význam této sekvence lze vidět na příkladu mutace v lidském genu pro 2-globin , která mění AAUAAA na AAUAAG, což má za následek nedostatek globinu v těle [27] .
Kromě primární struktury (nukleotidové sekvence) má mRNA sekundární strukturu. Na rozdíl od DNA, jejíž sekundární struktura je založena na intermolekulárních interakcích (dvoušroubovici DNA tvoří dvě lineární molekuly spojené po celé délce vodíkovými můstky), je sekundární struktura mRNA založena na intramolekulárních interakcích (lineární molekula "záhyby" a vodíkové vazby se vyskytují mezi různými oblastmi téže molekuly).
Kmen, smyčka a pseudouzel jsou příklady sekundární struktury. [28]
Sekundární struktury v mRNA slouží k regulaci translace. Například inzerce neobvyklých aminokyselin , selenomethionin a pyrrolysin , do proteinů závisí na kmenové smyčce umístěné v 3'-nepřekládané oblasti. Pseudoknoty slouží k programové změně čtecího rámce genů. Sekundární struktura také slouží ke zpomalení degradace určitých mRNA [29] [30]
Ve virových mRNA komplexní sekundární struktury ( IRES ) řídí translaci nezávisle na rozpoznání čepičky a faktorech iniciace translace (viz " Iniciace translace ").
Různé mRNA mají různou životnost (stabilitu). V bakteriálních buňkách může molekula mRNA existovat od několika sekund do více než hodiny a v savčích buňkách od několika minut do několika dnů. Čím větší je stabilita mRNA, tím více proteinu lze syntetizovat z dané molekuly. Omezená životnost buněčné mRNA umožňuje rychlé změny v syntéze proteinů v reakci na měnící se potřeby buněk. Po určité době, určené její nukleotidovou sekvencí, zejména délkou polyadeninové oblasti na 3'-konci molekuly, je mRNA za účasti RNáz degradována na své základní nukleotidy . K dnešnímu dni je známo mnoho mechanismů degradace mRNA, z nichž některé jsou popsány níže.
U prokaryot je stabilita mRNA mnohem menší než u eukaryot. K degradaci mRNA v prokaryotických buňkách dochází působením kombinace ribonukleáz, včetně endonukleáz, 3'-exonukleáz a 5'-exonukleáz. V některých případech mohou malé molekuly RNA v délce od desítek do stovek nukleotidů stimulovat degradaci mRNA tím, že se komplementárně spárují s odpovídajícími sekvencemi v mRNA a podporují ribonukleázy [31] [32] . V roce 2008 se ukázalo, že bakterie mají něco jako čepici, trifosfát na 5' konci [33] . Odstranění dvou fosfátů zanechá monofosfát na 5' konci, což způsobí, že mRNA je štěpena endonukleázou RNázy E.
Typicky degradace začíná odstraněním čepičky na 5' konci, polyadeninového ocasu na 3' konci a pak nukleázy současně degradují mRNA ve směrech 5' -> 3' a 3' -> 5'. mRNA, ve které je signál pro dokončení syntézy proteinů, stop kodon, umístěn uprostřed kódující sekvence v důsledku chyby transkripce, podléhá speciální rychlé formě degradace, NMD .
V poslední době byly vyvinuty velmi citlivé metody, které umožňují analyzovat „transkriptom“ ze vzorků o velikosti 50–100 buněk [34] [35] [36] .
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
RNA | Typy|
---|---|
Biosyntéza bílkovin | |
Zpracování RNA |
|
Regulace genové exprese |
|
cis-regulační prvky | |
Parazitické prvky | |
jiný |
|
nukleových kyselin | Typy||||
---|---|---|---|---|
Dusíkaté báze | ||||
Nukleosidy | ||||
Nukleotidy | ||||
RNA | ||||
DNA | ||||
Analogy | ||||
Vektorové typy |
| |||
|