Transport messenger RNA

Transfer-messenger RNA (tmRNA, anglicky  Transfer-messenger RNA ), také známá jako 10Sa-RNA a SsrA-RNA [1] , je malá RNA o délce 260 až 430 nukleotidů , která se podílí na uvolňování ribozomů „zaseknutých“ během translace problémových oblastí mRNA , stejně jako destrukce defektních peptidů vyplývající z neúplné translace . Mechanismus uvolnění ribozomu s defektní mRNA za účasti tmRNA se nazývá trans- translace. První tmRNA byla objevena v roce 1994 [2] v Escherichia coliEscherichia coli a od té doby tmRNA byly popsány v různých skupinách bakterií [3] . Geny tmRNA se nacházejí v genomech téměř všech bakterií a mnoha organel [4] .

Struktura a syntéza

Jak název napovídá, tmRNA kombinuje vlastnosti tRNA i mRNA a molekuly tmRNA obsahují domény, které jsou strukturálně a funkčně podobné tRNA a mRNA. Nicméně tmRNA je téměř pětkrát větší než tRNA. Vysoce konzervované koncové části molekuly tvoří strukturu podobnou akceptorovému kmeni tRNA. Vedle těchto oblastí jsou sekvence, které jsou podobné T- a D-smyčce tRNA a mají odpovídající nukleotidové modifikace . Společně tyto oblasti tvoří strukturu podobnou L-formě tRNA, avšak bez antikodonu [5] .

Doména podobná mRNA je reprezentována centrální částí molekuly tmRNA , která obsahuje otevřený čtecí rámec kódující peptid o 10-27 aminokyselinách a končící stop kodonem . Nemá startovací kodon , takže jeho normální překlad je nemožný. Zkrácení nebo prodloužení otevřeného čtecího rámce o jeden kodon je povoleno bez narušení fungování trans- translace [1] . Od 5'-konce sousedí doména podobná mRNA se sekvencí, která tvoří pseudouzel , a od 3'-konce jsou další tři pseudouzly. Pseudoknoty hrají důležitou roli v interakci molekuly s ribozomem a translačními faktory [6] . Pseudoknoty jsou obvykle konzervované, ale někdy procházejí změnami, například u sinic je poslední pseudouzel nahrazen dvěma menšími pseudouzly uspořádanými v tandemu. Při trans -překladu je zničeno párování bází v oblasti posledních tří pseudouzlů [ 7] [8] .

V některých případech jsou v tmRNA pozorovány kruhové permutace (tj. fragment genu tmRNA kódující jednu ze dvou funkčních částí tmRNA je otočen opačným směrem, díky čemuž je tmRNA tvořena dvěma samostatnými fragmenty). Jsou charakteristické pro všechny α-proteobakterie a primitivní mitochondrie protistů skupiny Jakobida , dvě skupiny sinic ( rod Gloeobacter a klad obsahující rod Prochlorococcus a mnoho druhů rodu Synechococcus ) , stejně jako pro některé β-proteobakterie , např. Cupriavidus . Takové tmRNA se skládají ze dvou částí: akceptorové a kódující, navíc nikdy neobsahují více než dva pseudouzly [9] [10] .

Typická buňka E. coli obsahuje asi 500 kopií tmRNA. Stejně jako mnoho jiných RNA prochází tmRNA post -transkripčním zpracováním , které spočívá v odstranění několika nukleotidů z obou konců několika RNázami , včetně RNázy P , která také funguje při zrání tRNA, a také exonukleáz RNázy T a RNázy PH [11] [12] . Zpracovaná tmRNA se váže na protein SmpB a výsledný komplex je rozpoznán alanyl-tRNA syntetázou , která přidá jeden alaninový zbytek na 3'-konec tmRNA [13] . Na rozdíl od mnoha jiných aminoacyl-tRNA syntetáz nerozpoznává alanin aminoacyl-tRNA syntetáza antikodon aminoacylované tRNA, takže může pracovat i s tmRNA postrádající antikodon [14] . Třetí pár bází akceptorového kmene je non-Watson-Crick, G - U , a je to ona, kdo je rozpoznán alanin-tRNA syntetázou [5] .

Někdy jsou tmRNA kódovány mobilními genetickými elementy , například jsou přítomny v 10 % mykobakteriofágů [15] . Mnoho transponovatelných prvků narušuje geny tmRNA. Patří mezi ně samosestřihující introny typu I , palindromické prvky rickettsie a genomové ostrovy kódující integrázu [16] [17] [18] [19] .

V roce 2015 byla spuštěna databáze tmRNA Website , která obsahuje sekvence tmRNA, jejich zarovnání a anotace a také sekvence proteinu SmpB, který je úzce spjat s tmRNA [4] .

Funkční

SmpB je nejdůležitější protein , který se váže na tmRNA. Mezi bakteriemi je stejně silně konzervovaná jako tmRNA. SmpB se váže na doménu tmRNA podobnou tRNA a zabraňuje zničení tmRNA, když je mimo ribozom , a také zvyšuje aminoacylaci tmRNA. Globulární doména proteinu interaguje s doménou podobnou tRNA , díky čemuž je kompenzována nepřítomnost spodní poloviny L-formy tRNA v tmRNA. Doména podobná tRNA tedy napodobuje tRNA v komplexu s SmpB. Ribozom E. coli má alespoň dvě vazebná místa SmpB, jedno v místě A a druhé v místě P, díky čemuž je v ribozomu zachován také komplex tmRNA a SmpB napodobující tRNA . Kromě SmpB se na tmRNA může vázat ribozomální protein S1 a translační elongační faktor EF-Tu . S1 není nezbytný pro první události transtranslace (před vytvořením nové peptidové vazby ), ale může být důležitý pro následující kroky. EF-Tu v komplexu s GTP se váže na tmRNA nesoucí alaninový zbytek a dodává jej do A-místa ribozomu, jako při normální translaci [5] .

K zástavě ribozomu na mRNA může dojít, pokud neobsahuje stop kodon, pokud obsahuje skupinu kodonů, pro které v buňce nejsou žádné aminoacylované tRNA, a také v případech, kdy mRNA tvoří stabilní trojrozměrnou strukturu, která interferuje s pokrok ribozomu. Je však třeba poznamenat, že některé mRNA podléhají trans- translaci mnohem častěji než jiné a různé mRNA podléhají aktivní trans- translaci v různých bakteriálních druzích . Po dodání komplexu tmRNA s SmpB je GTP hydrolyzován na GDP , což způsobí konformační přeuspořádání, v důsledku čehož EF-Tu v komplexu s GDP opustí ribozom a objeví se doména podobná tRNA nesoucí alanin spojená s SmpB. Stránka. Během tohoto procesu C-koncový konec SmpB interaguje s kanálem mRNA umístěným za A-místem. Pokud je v kanálu mRNA, interakce nenastane. Poté se peptid syntetizovaný před zastavením ribozomu přenese na alaninový zbytek tmRNA. Výsledný komplex peptidu, tRNA-like domény a SmpB se přesouvá z A-místa do P-místa ribozomu, a aby se mohl přesunout, musí spojení mezi C-terminálním koncem SmpB a kanálem mRNA být zlomený. Dále dochází ke konformačnímu přeskupení C-terminálního konce SmpB, díky kterému může začít translace tmRNA [5] . Jinými slovy, místo problematické mRNA začne ribozom překládat otevřený čtecí rámec na tmRNA. Při první translokaci ribozomu opouští mRNA za pomoci EF-G faktoru ribozom a je zničen specifickými RNázami . Syntéza proteinů , při které se používají dvě kódující RNA v sekvenci, se nazývá trans- translace. Když ribozom dokončí translaci tmRNA, vytvoří se chimérický peptid, jehož C-konec se přečte z tmRNA. Hraje roli značky rozpoznávané systémy bakteriální proteolýzy , které degradují defektní peptid [20] .

Mutace tmRNA , které znemožňují aminoacylaci, také blokují schopnost tmRNA kódovat tag peptid, takže funkce jako tRNA převažuje nad schopností kódovat [5] .

Aby normální tRNA vstoupila do A-místa ribozomu, je nezbytná interakce s mRNA jeho antikodonu. Nicméně tmRNA nemá antikodon a zdá se, že spodní část tRNA obsahující antikodon napodobuje SmpB. K rozpoznání ribozomu, který se má uvolnit z transkriptu, je nutná hydrolýza GTP. Teprve poté SmpB přijme konformaci, která mu umožňuje posoudit obsazenost kanálu mRNA [5] .

Trans- translace je tedy nezbytná, aby se zabránilo akumulaci zkrácených peptidů a defektních mRNA v buňce . RNáza R se tedy váže na SmpB v komplexu s tmRNA. Aktivuje se za stresových podmínek a u Caulobacter crescentus jeho aktivita závisí na fázi buněčného cyklu [5] .

Distribuce

Analýza četných bakteriálních genomových sekvencí ukázala, že tmRNA a trans- translace existují v každé bakteriální buňce. Oblast tmRNA odpovídající tRNA má na rozdíl od zbytku molekuly konzervovanou sekvenci. Sekvence tag peptidu a jeho délka nejsou příliš konzervované, ale její poslední čtyři aminokyselinové zbytky jsou velmi konzervované a tvoří sekvenci AL AA. Právě ona je cílem periplazmatické proteázy a cytoplazmatických ATP-dependentních proteáz, které ničí defektní polypeptidy [5] . Zajímavé je, že komplex tmRNA Mycobacterium tuberculosis a E. coli SmpB je nefunkční, zatímco komplex tmRNA E. coli a M. tuberculosis SmpB funguje úspěšně [21] .

Žádná bifunkční RNA jako tmRNA se nenachází v jaderném genomu eukaryot . Pravděpodobně nepotřebují kontrolu kvality translace tolik jako bakterie, kvůli různým mechanismům kontroly kvality mRNA . U kvasinek však byl popsán mechanismus podobný trans- translaci, prováděný proteiny. U Saccharomyces cerevisiae jsou proteiny přeložené z defektní mRNA ubikvitinovány a cíleny k destrukci v proteazomu . Nemůžeme vyloučit možnost, že eukaryota mají bifunkční proteiny, které mají podobnou funkci jako tmRNA [1] .

Poprvé byla mitochondriální tmRNA nalezena u protista Reclinomonas americana ze skupiny Jakobida [9] . Následně byli identifikováni u naprosté většiny zástupců Jakobida [22] [23] . Geny tmRNA byly také identifikovány v mitochondriálních genomech oomycet [24] . Mitochondriální tmRNA se vyznačují cirkulárními permutacemi a skládají se ze dvou částí a pouze u Jakoba libera byla nalezena inverze , která obnovila normální strukturu genu tmRNA, díky čemuž se z ní syntetizuje obvyklá jednodílná tmRNA [23] .

Fyziologický význam

Je třeba poznamenat, že kromě trans- translace mají bakterie další způsoby, jak uvolnit ribozom s problematickou mRNA. Nicméně pro některé bakterie, jako je Mycoplasma genitalium , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Shigella flexneri a Mycobacterium tuberculosis , je trans- translace životně důležitá. U těch bakterií, které mohou přežít bez tmRNA, absence trans- translace snižuje odolnost buněk vůči stresu: vysoká nebo nízká teplota , nedostatek živin , léčba ethanolem nebo vápníkem , vystavení kyselinám a různým lékům. Navíc za stresových podmínek se zvyšuje intenzita trans- translace, což je pravděpodobně spojeno se zvýšením počtu defektních mRNA za těchto podmínek. Při nedostatku aminokyselin se aktivuje endonukleáza RelE , která štěpí transkripty za vzniku mRNA bez stop kodonů, které jsou zničeny za účasti tmRNA. trans- translace je také spojena s regulací exprese genů zapojených do stresové reakce. Navíc, když je tRNA zničena koliciny E5 a D, E. coli se dostává do stavu bakteriostázy za účasti tmRNA a SmpB [25] . Porušení trans- translace snižuje patogenitu některých bakterií, proto se vyvíjejí antibiotika , která tento proces narušují [5] .

trans- translace se také účastní buněčných procesů, které nejsou spojeny se stresem. Například u Caulobacter crescentus je buněčný cyklus a zahájení replikace DNA pod kontrolou trans- translace. Exprese tmRNA a SmpB v této bakterii je zvýšena v pozdní fázi G1 , avšak na začátku replikace je DNA rychle zničena. Během G1 fáze je tmRNA stabilní, ale na začátku S fáze je zničena RNázou R [1] . U E. coli je při nepřítomnosti trans- translace zahájení replikace DNA zpožděno a rychlost růstu je snížena [26] . U Bacillus subtilis se trans- translace podílí na tvorbě spor [5] .

Evoluce

Četné strukturní podobnosti, jako jsou konzervované vlásenky a smyčky, naznačují, že původ tmRNA úzce souvisí s tRNA. tmRNA vykazuje četné strukturní podobnosti s introny tRNA , což jsou u bakterií samosestřihující introny typu I. Zůstává však nejasné, zda tmRNA pochází z tRNA s intronem skupiny I nebo naopak. Je zvláštní, že alanin (jediná aminokyselina, která aminoacyluje tmRNA) je jednou z aminokyselin, jejichž kodony se objevily v nejstarší variantě genetického kódu předků ; to může ukazovat na starobylost původu tmRNA. Řada vědců považuje tmRNA za mezičlánek mezi světem RNA a moderním životem založeným na syntéze proteinů pomocí ribozomů. Předpokládá se, že úplně první forma tmRNA se objevila fúzí dvou vlásenkových krátkých RNA; takové tmRNA obsahovaly akceptorový kmen s velkým intronem a také otevřený čtecí rámec. Pravděpodobně měly starověké tmRNA několik akceptorových kmenů nesoucích kromě alaninu další aminokyseliny. Následně takové proto-tmRNA daly vzniknout moderním tRNA a mRNA a také tmRNA moderního typu [14] .

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 Keiler KC , Ramadoss NS Bifunkční transfer-messenger RNA.  (anglicky)  // Biochimie. - 2011. - Listopad ( roč. 93 , č. 11 ). - S. 1993-1997 . - doi : 10.1016/j.biochi.2011.05.029 . — PMID 21664408 .
2. ↑ Muto A. , Ushida C. , Himeno H. Bakteriální RNA, která funguje jako tRNA i mRNA.  (anglicky)  // Trends In Biochemical Sciences. - 1998. - Leden ( roč. 23 , č. 1 ). - str. 25-29 . — PMID 9478132 .
3. ↑ Mironova, Padkina, Sambuk, 2017 , str. 235.
4. ↑ 1 2 Hudson CM , Williams KP Webová stránka tmRNA.  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 2015. - Leden ( sv. 43 ). - P.D138-140 . doi : 10.1093 / nar/gku1109 . — PMID 25378311 .
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Himeno H. , Nameki N. , Kurita D. , Muto A. , Abo T. Záchranné systémy ribozomů u bakterií.  (anglicky)  // Biochimie. - 2015. - Červenec ( sv. 114 ). - str. 102-112 . - doi : 10.1016/j.biochi.2014.11.014 . — PMID 25446863 .
6. ↑ Mironova, Padkina, Sambuk, 2017 , str. 235-236.
7. ↑ Wower IK , Zwieb C. , Wower J. Transfer-messenger RNA se rozvine, když prochází ribozomem.  (anglicky)  // RNA (New York, NY). - 2005. - Květen ( roč. 11 , č. 5 ). - str. 668-673 . - doi : 10.1261/rna.7269305 . — PMID 15811920 .
8. ↑ Zwieb C. , Wower I. , Wower J. Srovnávací sekvenční analýza tmRNA.  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 1999. - 15. května ( roč. 27 , č. 10 ). - S. 2063-2071 . — PMID 10219077 .
9. ↑ 1 2 Keiler KC , Shapiro L. , Williams KP tmRNA, které kódují značky indukující proteolýzu, se nacházejí ve všech známých bakteriálních genomech: Dvoudílná tmRNA funguje v Caulobacter.  (anglicky)  // Proceedings Of The National Academy of Sciences Of The United States Of America. - 2000. - 5. července ( roč. 97 , č. 14 ). - str. 7778-7783 . — PMID 10884408 .
10. ↑ Sharkady SM , Williams KP Třetí linie s dvoudílnou tmRNA.  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 2004. - Sv. 32 , č. 15 . - str. 4531-4538 . doi : 10.1093 / nar/gkh795 . — PMID 15326226 .
11. ↑ Srivastava RA , Srivastava N. , Apirion D. Charakterizace enzymu zpracovávajícího RNA RNáza III z buněk divokého typu a nadměrně exprimujících buňky Escherichia coli při zpracování přirozených substrátů RNA.  (anglicky)  // The International Journal Of Biochemistry. - 1992. - Květen ( roč. 24 , č. 5 ). - str. 737-749 . — PMID 1375563 .
12. ↑ Li Z. , Pandit S. , Deutscher MP 3' exoribonukleolytické trimování je společným znakem zrání malých, stabilních RNA v Escherichia coli.  (anglicky)  // Proceedings Of The National Academy of Sciences Of The United States Of America. - 1998. - 17. března ( roč. 95 , č. 6 ). - S. 2856-2861 . — PMID 9501180 .
13. ↑ Mironova, Padkina, Sambuk, 2017 , str. 236.
14. ↑ 1 2 Macé K. , Gillet R. Původ tmRNA: chybějící článek při zrodu syntézy proteinů?  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 2016. - 30. září ( roč. 44 , č. 17 ). - S. 8041-8051 . - doi : 10.1093/nar/gkw693 . — PMID 27484476 .
15. ↑ Hatfull GF , Pedulla ML , Jacobs-Sera D. , Cichon PM , Foley A. , Ford ME , Gonda RM , Houtz JM , Hryckowian AJ , Kelchner VA , Namburi S. , Pajcini KV , Popovich DT Sicherek MG , BDT , Smith AL , Zdanowicz GM , Kumar V. , Peebles CL , Jacobs Jr. WR , Lawrence JG , Hendrix RW Zkoumání mykobakteriofágového metaproteomu: fágová genomika jako vzdělávací platforma.  (anglicky)  // PLoS Genetics. - 2006. - Červen ( vol. 2 , č. 6 ). - S. e92-92 . - doi : 10.1371/journal.pgen.0020092 . — PMID 16789831 .
16. ↑ Kirby JE , Trempy JE , Gottesman S. Excize kryptického profága podobného P4 vede k expresi Alp proteázy v Escherichia coli.  (anglicky)  // Journal Of Bacteriology. - 1994. - Duben ( roč. 176 , č. 7 ). - S. 2068-2081 . — PMID 7511583 .
17. ↑ Williams KP Webová stránka tmRNA: invaze intronu.  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 2002. - 1. ledna ( roč. 30 , č. 1 ). - S. 179-182 . — PMID 11752287 .
18. ↑ Dwyer DS Sobecká DNA a původ genů.  (anglicky)  // Věda (New York, NY). - 2001. - 12. ledna ( roč. 291 , č. 5502 ). - str. 252-253 . — PMID 11253208 .
19. ↑ Williams KP Provoz na genu tmRNA.  (anglicky)  // Journal Of Bacteriology. - 2003. - únor ( roč. 185 , č. 3 ). - S. 1059-1070 . — PMID 12533482 .
20. ↑ Mironova, Padkina, Sambuk, 2017 , str. 236-237.
21. ↑ Wower IK , Zwieb C. , Wower J. Požadavky na obnovení translace v chimérických transfer-messenger RNA Escherichia coli a Mycobacterium tuberculosis.  (anglicky)  // BMC Molecular Biology. - 2014. - 15. září ( vol. 15 ). - S. 19-19 . - doi : 10.1186/1471-2199-15-19 . — PMID 25220282 .
22. ↑ Burger G. , Grey MW , Forget L. , Lang BF Nápadně mitochondriální genomy podobné bakteriím a bohaté na geny v celém jakobidním protistům.  (anglicky)  // Genome Biology And Evolution. - 2013. - Sv. 5 , č. 2 . - str. 418-438 . - doi : 10.1093/gbe/evt008 . — PMID 23335123 .
23. ↑ 1 2 Jacob Y. , Seif E. , Paquet PO , Lang BF Ztráta oblasti podobné mRNA v mitochondriálních tmRNA jakobidů.  (anglicky)  // RNA (New York, NY). - 2004. - Duben ( roč. 10 , č. 4 ). - S. 605-614 . — PMID 15037770 .
24. ↑ Hafez M. , Burger G. , Steinberg SV , Lang BF Druhá eukaryotická skupina s mitochondrií kódovanou tmRNA: identifikace in silico a experimentální potvrzení.  (anglicky)  // RNA Biology. - 2013. - Červenec ( roč. 10 , č. 7 ). - S. 1117-1124 . - doi : 10.4161/rna.25376 . — PMID 23823571 .
25. ↑ Sakai F. , Sugita R. , Chang JW , Ogawa T. , Tsumadori N. , Takahashi K. , Hidaka M. , Masaki H. Transfer-messenger RNA a SmpB zprostředkovávají bakteriostázu v buňkách Escherichia coli proti štěpení tRNA.  (anglicky)  // Mikrobiologie (Reading, Anglie). - 2015. - říjen ( roč. 161 , č. 10 ). - str. 2019-2028 . - doi : 10,1099/mik.0,000144 . — PMID 26199088 .
26. ↑ Wurihan W. , Wunier W. , Li H. , Fan LF , Morigen M. Trans-translace zajišťuje včasné zahájení replikace DNA a syntézy DnaA v Escherichia coli.  (anglicky)  // Genetics And Molecular Research : GMR. - 2016. - 29. srpna ( roč. 15 , č. 3 ). - doi : 10.4238/gmr.15038407 . — PMID 27706629 .

Literatura

• Mironova L. N., Padkina M. V., Sambuk E. V. RNA: syntéza a funkce. - Petrohrad. : Eko-vektor, 2017. - 287 s. - ISBN 978-5-906648-29-7 .