RNA thermosensor nebo RNA thermosensor ( angl. RNA thermometer, RNA thermosensor, RNAT ) je teplotně citlivá nekódující RNA , která se podílí na regulaci genové exprese . RNA teploměry zpravidla regulují geny , které jsou nezbytné pro reakci na tepelný šok [cs nebo chladový šok , byla však prokázána jejich účast na regulaci dlouhodobého hladovění a patogenity [1] .
Principem činnosti teploměru RNA je změna sekundární struktury této molekuly v reakci na změnu teploty . Během těchto strukturálních změn jsou obnaženy důležité úseky této RNA, například vazebné místo ribozomu , nebo naopak jdou hluboko do molekuly, čímž ovlivňují translaci blízkého genu kódujícího protein.
Teploměry RNA spolu s riboswitche poskytují podporu pro hypotézu světa RNA . Podle této teorie byla nejprve jedinou nukleovou kyselinou přítomnou v buňkách RNA, která byla následně nahrazena moderním systémem DNA → RNA → protein [2] .
Příklady RNA teploměrů jsou FourU [3] , cis -regulační prvek Hsp90 [4] , ROSE prvek [5] , Hsp17 teploměr [6] .
Objev prvního prvku RNA citlivého na teplotu byl hlášen v roce 1989 [7] . Předchozí studie ukázaly, že mutace upstream od místa začátku translace v mRNA cIII fága lambda (λ) ovlivňují úroveň translace proteinu cIII [8] . Tento protein se podílí na volbě programu ( lytické nebo lyzogenní dráhy) životního cyklu fága λ a vysoká koncentrace proteinu cIII odpovídá lyzogenní dráze [8] . Další studie ukázaly, že tato upstream oblast RNA má dvě alternativní sekundární struktury. Ukázalo se, že tyto struktury nejsou zaměnitelné a závisí na koncentraci iontů Mg 2+ a teplotě [7] [9] . Nyní se věří, že tyto RNA teploměry spouštějí lytickou dráhu za podmínek tepelného šoku, takže bakteriofág se může rychle replikovat a opustit hostitelskou buňku [1] .
Termín „teploměr RNA“ byl použit až v roce 1999 [10] , kdy byl takto pojmenován prvek RNA rpoH bakterie Escherichia coli [11] . Nedávno bylo pomocí bioinformatických technik identifikováno několik nových možných teploměrů RNA [12] . V tomto případě je obvyklé vyhledávání sekvencí neúčinné, protože sekundární struktura RNA teploměrů je mnohem konzervativnější než jejich nukleotidové sekvence [12] .
Ke studiu činnosti RNA teploměrů se používají různé přístupy. Pro studium dynamiky RNA teploměrů je možné nahradit běžné nukleotidy v určitých místech fluorescenčními , a tak sledovat jejich změny [13] . Pro určení polohy RNA teploměru ve studované sekvenci při určitých teplotách byl vyvinut speciální webový server RNAthermsw [14] . K identifikaci bakteriálních RNA teploměrů se využívají i genetické metody, např. Tet-Trap [15] .
Většina v současnosti známých RNA teploměrů se nachází v 5'-nepřeložených oblastech (5'-UTR) prokaryotických mRNA kódujících proteiny tepelného šoku . Možná jsou tyto výsledky způsobeny selekčním zkreslením a nepřekonatelnými obtížemi při hledání krátkých nekonzervativních sekvencí v genomických datech [16] [17] .
Ačkoli většina známých teploměrů RNA byla nalezena u prokaryot (včetně sinic [18] ), možné teploměry RNA byly identifikovány u savců , včetně lidí [19] . U lidí předpokládaný termosenzorový tepelný šok RNA-1 (HSR1) aktivuje transkripční faktor tepelného šoku-1 (HSF1) a spouští syntézu ochranných proteinů při teplotách nad 37 °C ( normální tělesná teplota ) , a tím chrání buňky před přehřátím [19] . Cis -regulační prvek Hsp90 reguluje expresi chaperonu hsp90 u Drosophila a zvyšuje jeho translaci při vysokých teplotách [4] .
Struktura RNA teploměrů je jednoduchá a může být tvořena krátkými sekvencemi RNA. Nejmenší známý teploměr RNA je dlouhý 44 nukleotidů. Nachází se v mRNA proteinu tepelného šoku (hsp17) v cyanobakterii Synechocystis sp. PCC 6803 [6] . Obecně platí, že RNA teploměry mají délku od 60 do 110 nukleotidů [21] a obvykle obsahují vlásenku , ve které je malá část bází nepárová . Snižují stabilitu konstrukce, díky čemuž se může snadno roztavit při zvýšení teploty [16] .
Podrobná strukturální analýza teploměru ROSE RNA ukázala, že nesprávně spárované báze se ve skutečnosti účastní nestandardního párování bází, které udržuje helikální strukturu RNA. Tyto neobvyklé páry jsou reprezentovány páry G -G , U -U a U C -U . Protože tyto nekanonické páry jsou relativně nestabilní, zvýšení teploty způsobí lokální fúzi RNA v této oblasti, která odhalí Shine-Dalgarnovu sekvenci [20] .
Některé RNA teploměry jsou mnohem složitější než jedna vlásenka, jako v případě 5'-UTR CspA mRNA , kde RNA teploměr obsahuje pseudouzel a mnoho vlásenek [22] [23] .
Byly vyvinuty umělé RNA teploměry obsahující pouze jednu vlásenku [24] . Nukleotidová sekvence takových krátkých teploměrů RNA však může být náchylná k mutacím a substituce jedné báze může způsobit, že tento teploměr RNA není aktivní in vivo [25] .
Teploměry RNA jsou umístěny v 5'-UTR mRNA, před kódující sekvencí [1] . Na rozdíl od riboswitchů, které působí na úrovni transkripce , translace a regulace stability mRNA, všechny v současnosti známé teploměry RNA působí na úrovni iniciace translace [26] . Strukturální změny v RNA teploměrech mohou odstranit vazebné místo ribozomu hluboko do molekuly a zabránit tak translaci mRNA do proteinu [16] . Se zvyšující se teplotou se může vlásenková struktura RNA teploměru roztavit a obnažit tak vazebné místo ribozomu nebo Shine-Dalgarnovu sekvenci (a v některých případech startovací kodon AUG [18] ), což umožňuje vytvoření malé podjednotky ribozomu ( 30S ), aby se navázal na mRNA podle toho, k čemu slouží celý vysílací aparát [1] . Start kodon , který se obvykle nachází 8 nukleotidů za Shine-Dalgarnovou sekvencí [16] , označuje začátek oblasti kódující protein , kterou ribozom převádí na peptid . Kromě těchto cis - působících RNA teploměrů je znám jediný trans - působící RNA teploměr umístěný v RpoS mRNA , kde má regulovat odpověď na dlouhodobé hladovění [1] .
Jako příklad uveďme teploměr FourU Salmonella enterica RNA [3] . Působením teplot nad 45 °C se vlásenka obsahující Shine-Dalgarnovu sekvenci roztaví, Shine-Dalgarnova sekvence se stane nepárovou a je možná translace mRNA [25] . Ukázalo se, že stabilita FourU je ovlivněna koncentrací Mg 2+ [27] . Nejvíce prozkoumaný je RNA teploměr umístěný v mRNA genu rpoH v E. coli [28] . Tento termosenzor pozitivně reguluje translaci proteinů tepelného šoku při vysokých teplotách prostřednictvím specializovaného sigma faktoru σ 32 [10] .
U Bradyrhizobium japonicum a Rhizobium radiobacter , proteobakterií řádu Rhizobiales, byly popsány RNA teploměry ROSE 1 a ROSE AT2 , v tomto pořadí. Jsou umístěny v 5'-UTR HspA a potlačují translaci proteinů tepelného šoku při fyziologických teplotách [5] [29] .
Ačkoli RNA teploměry jsou obvykle spojovány s expresí proteinů tepelného šoku, mohou také regulovat expresi proteinů studeného šoku [22] . Například u termofilní bakterie Thermus thermophilus je exprese dvou 7 kDa proteinů regulována RNA teploměrem [30] a podobný mechanismus byl popsán také u Escherichia coli [23] .
RNA teploměry, které reagují na 37 °C, mohou být použity patogeny k aktivaci genů spojených s infekcí . Například naroubováním genu kódujícího zelený fluorescenční protein na 5'-konec genu prfA , který kóduje klíčový transkripční regulátor genů virulence v Listeria monocytogenes , byla prokázána pozitivní regulace exprese prfA : transkripce takového hybridního genu z T7 promotoru fluorescence E. coli byla pozorována při 37 °C, ale ne při 30 °C [31] . RNA teploměry se podílejí na regulaci virulence patogenních bakterií jako Leptospira interrogans a Vibrio cholerae [32] . U patogenní bakterie Shigella dysenteriae a patogenních kmenů Escherichia coli se RNA teploměry podílejí na regulaci procesů ovlivňujících patogenezi [18] [33] [34] .
Někdy může být operon regulován několika RNA teploměry. Předpokládá se, že operon E. coli ibpAB obsahuje dva kooperativní RNA teploměry: prvek ROSE a teploměr IbpB [35] .
Je třeba také poznamenat, že RNA teploměry lze použít nejen k regulaci translace monocistronních transkriptů obsahujících jednu Shine-Dalgarnovu sekvenci , ale také pro polycistronní transkripty obsahující několik Shine-Dalgarnových sekvencí [18] . Například u Pseudomonas putida je odolnost vůči stresu zajištěna tricistronním operonem, který je konzervovaný mezi mnoha volně žijícími bakteriemi. První dva geny tohoto operonu jsou regulovány RNA teploměry [36] .
Hypotéza světa RNA tvrdí, že zpočátku RNA fungovala jako nosič dědičné informace a prováděla enzymatické procesy a různé sekvence RNA fungovaly jako biokatalyzátory , regulátory a senzory [37] . Později, pod vlivem selekce, většinu funkcí, které RNA vykonává, začaly vykonávat jiné biomolekuly a život založený pouze na RNA byl nahrazen životem založeným na DNA , RNA a proteinu [2] .
Předpokládá se, že RNA teploměry a riboswitche jsou evolučně prastaré prvky, protože jsou rozšířeny v evolučně nejvzdálenějších organismech [38] . Bylo navrženo, že ve světě RNA prováděly teploměry RNA regulaci jiných RNA závislou na teplotě [2] [39] . V moderních organismech jsou teploměry RNA možná „ molekulární fosílie “, které byly v minulém světě RNA mnohem běžnější než nyní [2] .
Pro teplotní kontrolu genové exprese u bakterií jsou vyvíjeny umělé RNA teploměry [40] [24] .
V roce 2013 byly vyvinuty „termozymy“ – umělé RNA teploměry s ribozymovou aktivitou. Termosenzorická vlásenka v roztaveném stavu inhibuje práci ribozymu, který uvolňuje vazebnou sekvenci ribozomu. Při zvýšených teplotách vlásenka taje, ribozym je inaktivován a genová exprese je potlačena. Termozym tedy reaguje na zvýšené teploty opačně než přírodní teploměry RNA [41] .
V roce 2016 bylo hlášeno vytvoření „termálních spínačů“ – integrace teplotně citlivých RNA teploměrů a riboswitchových aptamerů do jediné struktury. Tepelné spínače fungují při nízkých teplotách jako riboswitche a reagují na vazbu se svým ligandem změnou struktury a při vysokých teplotách přecházejí do trvale „zapnutého“ stavu. Tepelné spínače jsou tedy prvními RNA teploměry, které fungují na úrovni transkripce . Takové umělé regulátory RNA mohou být široce používány k regulaci genové exprese [26] .
V roce 2016 byl navržen algoritmus RNAiFold2T pro vývoj specifických RNA teploměrů obsahujících IRES. Translace takových termo-IRES prvků nezávislá na čepičce je asi o 50 % intenzivnější při 42 °C než při 30 °C. Jejich translační účinnost je však stále nižší než u IRES divokého typu, která nezávisí na teplotě [42] .
| Typy RNA | |
|---|---|
| Biosyntéza bílkovin | |
| Zpracování RNA |
|
| Regulace genové exprese |
|
| cis-regulační prvky | |
| Parazitické prvky | |
| jiný |
|