אזור לא מתורגם

בגנומיקה או בגנטיקה מולקולרית אזור לא מתורגם (באנגלית: Untranslated region, בראשי תיבות: UTR), מתייחס לשני הקצוות של מולקולת mRNA (רנ"א שליח) אשר אינם מתורגמים לחלבון, ותוחמים את הרצף המקודד (CDS) שמצוי במרכז המולקולה.

מבנה mRNA.

מולקולת ה-mRNA נוצרת על פני ה-DNA בתהליך השעתוק המתרחש בגרעין התא, ולאחריו היא מיוצאת לציטופלסמה ושם היא מתורגמת לחלבון על ידי ריבוזומים. רצף החלבון נקבע על פי האזור המקודד שמצוי במולקולת ה-mRNA המתורגמת, בעוד שרצפי ה-UTR אינם מתורגמים, שכן רצפם אינו מהווה חלק ממסגרת הקריאה הפתוחה.

ה-UTR המצוי במעלה הזרם (upstream, "לפני") לרצף המקודד מכונה UTR‏ '5, בעוד שה-UTR שמצוי בקצה האחר של מולקולת ה-mRNA במורד הזרם (downstream, "אחרי") ביחס ל-CDS נקרא UTR‏ '3. שמות האזורים מבוססים על הכיווניות של המולקולה.

על אף שלאזורים אלו אין תרומה ישירה לרצף החלבון, נודעים להם תפקידי בקרה חשובים והם ממלאים תפקיד מכריע בקביעת היציבות של מולקולת ה-mRNA.

ישנם מאגרי מידע המרכזים נתונים אודות אזורי UTR באורגניזמים שונים, לרבות רצף האזור בגנים שונים, חלבונים ו-miRNA הנקשרים אליו, מבנה מרחבי ועוד. בין מאגרי מידע אלו ניתן למנות את UTRdb ואת UTRome.

UTR‏ '5

ה-UTR‏ '5 מתחיל לאחר ה-‎5' Cap, המורכב לרוב מקבוצת 7-מתילגואנוזין (שמקורה במודיפקציה כימית על גואנוזין). סוף אזור זה הוא בסיס אחד לפני תחילת הרצף המקודד לחלבון, הנפתח לרוב בקודון AUG, המקודד באאוקריוטים לחומצת האמינו מתיונין.

רצף ה-UTR‏ '5 עשוי לכלול בתוכו אלמנטים המבקרים את רמות הביטוי של הגן על ידי גיוס של גורמי בקרה (regulation factors), לרוב חלבונים המבקרים את התרגום באופן שלילי^[1]. בפרוקריוטים רצף זה מכיל בדרך כלל את רצף שיין דלגרנו המשמש כרצף קישור לריבוזום ומאפשר לזהות את קודון תחילת התרגום. גם באאוקריוטים מוכל חלק מרצף קוזאק המשמש לזיהוי תחילת התרגום ב-UTR‏ '5.

אורכו הממוצע של ה-UTR‏ '5 ב-mRNA בוגר, לאחר תהליך השחבור (Splicing) באדם הוא 210 נוקלאוטידים^[2], אך ישנם מקרים בהם מגיע אורך ה-UTR‏ '5 למעל 2000 נוקלאוטידים. בכ-35% מהגנים מוצאים כי ב-UTR‏ '5 ישנו אינטרון אחד או יותר ברצף ה-pre-mRNA, בטרם תהלך השחבור^[3].

נמצאו מספר רצפי בקרה שעשויים להימצא ב-UTR‏ '5. רצפים אלו עשויים לקבוע את מידת יציבות התעתיק או את יכולת התעתיק לעבור תרגום. פעמים רבות רצפים אלו יוצרים מבנה מרחבי ייחודי בגדיל ה-mRNA, שאליו מסוגלים להיקשר חלבוני בקרה שונים. סוגי בקרות שיכולות להתבצע על ה-UTR‏ '5:

• רצפי קישור לחלבונים שיכולים להשפיע על יציבות מולקולת ה-mRNA או מניעת תרגומו, כך למשל, רצפי IRE‏ (Iron response elements) מאפשרים קישור של חלבונים בעלי תפקיד בבקרת משק הברזל בתא על ידי חישת רמתו, ובהיקשרם ל-mRNA הם מונעים את תרגומו מחד, ומאידך מונעים פירוק שלו^[4].
• רצפי Riboswitch, רצפים הנפוצים בעיקר בחיידקים, המסוגלים להיקשר למולקולות קטנות ולבקר את יכולת התעתיק להיתרגם בתלות בקישור או בהיעדרו.
• אתר כניסה פנימי לריבוזום (Internal ribosome entry site, IRES) המאפשר התחלת תרגום של ה-mRNA ללא תלות ב-Cap. זהו למעשה רצף היוצר מבנה מרחבי מוגדר המסוגל לגייס את הריבוזום בעזרת חלבוני עזר.
• אינטרונים ב-UTR‏ '5 נמצאו כשותפים בבקרת רמות הביטוי והייצוא של מולקולת ה-mRNA מהגרעין לציטופלסמה^[3][5].

שחבור חלופי (Alternative Splicing) של אינטרונים ב-UTR‏ '5 או שינוי בנקודת תחילת השיעתוק (Transcription start site, TSS) עשויים ליצור רצפי UTR‏ '5 שונים, הכוללים רצפי בקרה שונים ובכך עשויה להשתנות הבקרה על גן מסוים ועל רמות הביטוי שלו. מוטציות באזור זה או שינוי באורכו נמצאו כקשורים למספר מחלות באדם כדוגמת תרומבוציטמיה בעלת רקע גנטי^[6].

UTR‏ '3

ה-UTR‏ '3 הוא החלק ברצף מולקולת ה-mRNA שנמצא מיד לאחר קודון הפסק (stop codon), שמאותת לריבוזום על הצורך בעצירת התרגום. בדומה ל-UTR‏ '5 גם ה-UTR‏ '3 אינו מקודד לחלבון והוא מכיל רצפי בקרה שונים אשר באמצעותם ניתן לבקר את רמות הביטוי של התעתיק ותהליכים נוספים, ובכלל זה: פוליאדנילציה, יעילות התרגום, יציבות מולקולת ה-mRNA ומיקומה התוך-תאי^[7][8].

מאפיינים

אורכו הממוצע של ה-UTR‏ '3 משתנה בין יצורים אאוקריוטים שונים ונע בין 200 נוקלאוטידים ועד לכ-1,000 נוקלאוטידים בממוצע. כך למשל, בתאי אדם אורכו הממוצע של האזור הוא 1,027.7 בסיסים, אך ישנם תעתיקים שבהם אורך ה-UTR‏ '3 מגיע ליותר מ-8,000 בסיסים^[2], ולרוב ככל שאורכו של ה-UTR‏ '3 גדול יותר ביטויו של התעתיק נתון לבקרות רבות יותר. בתאי אדם אורך ה-UTR‏ '3 גדול פי שניים מאורכו ביונקים אחרים, והדבר מיצג את רמת המורכבות הגדולה בבקרת גנים באדם. הבקרה אינה נעשית רק על בסיס הרצפים לבדם אלא לעיתים היא מבוצעת על ידי יצירת מבנים מרחביים שניוניים ב-UTR‏ '3 המזוהים על ידי חלבוני בקרה שונים.

תפקידים

שליטה על רמות ביטוי התעתיק עשויות להיות מתווכות על ידי רצפים שונים ב-UTR‏ '3, וביניהם:

• אתרי קישור ל-microRNAs מצויים בתעתיקים רבים באזור זה ומפנים את מולקולת ה-mRNA לפירוק. miRNAs הן מולקולות RNA קטנות אשר כוללות רצף בסיסים משלים לזה הקיים במולקולת mRNA מסוימות ובהיקשרן למולקולה הן יכולות להכווין את המולקולה לפירוק מידי, זאת לרוב כאשר ישנה התאמת בסיסים מלאה בין הרצף הגרעיני (seed region) במולקולת ה-miRNA לתעתיק. במקרים אחרים כאשר אין התאמת בסיסים מושלמת יכול הקישור לעכב את תרגום ה-mRNA ולהפנייתו לבועיות (וזיקולות) ייעודיות בציטופלסמת התא המכונות P-bodies, ובהן מתרחש פירוק איטי של מולקולת ה-mRNA. היתרון בהפניית מולקולת mRNA לבועית שכזו היכולת בינתן אות מסוים להחזיר את התעתיק לציטופלסמה ולהפוך אותו שוב לבר תרגום.
• רצפים עשירים בנוקלאוטידים אדנין (A) ואורידין (U) המכונים AREs ‏(AU-rich elements). רצפים אלו מורכבים למעשה מחזרה של הפנטהנוקלאוטיד (מולקולה המורכבת מחמישה נוקלאוטידים) AUUUA המופיעה בין 50 ל-150 פעמים בזו אחר זו. רצף זה מזוהה על ידי חלבונים מוגדרים הנקשרים למולקולת ה-mRNA הכוללת את הרצפים הללו ועל ידי כך מסוגלים להפנות את המולקולה לדגרדציה מחד, ומאידך חלבונים אחרים הקושרים רצף זה יכולים להפנות את ה-mRNA לתרגום בריבוזום^[9]. נמצא כי ביטוי של שתי משפחות חלבונים אלו תלוי באותות המועברים בתלות בתנאי הסביבה החוץ-תאית או עקב סיגנל תוך-תאי, כמו כן, נמצא מנגנון זה כמשמעותי בבקרת יציבות mRNA בתהליכי התמיינות וגדילה של תאים. עוד נמצא כי ישנן משפחות של גנים שתעתיקיהם עשירים יותר ברצפים אלו וביניהם הגנים לציטוקינים, גורמי גדילה, גנים מדכאי סרטן (tumor suppressors), פרוטו-אונקוגנים, גורמי שעתוק (transcription factors), ציקלינים, קולטנים וחלבונים ממברנלים.
• בדומה ל-UTR‏ '5 גם ב-UTR‏ '3 ישנם רצפי קישור מסוג IRE המבקרים את תרגום התעתיק בתלות בריכוזי הברזל.
• באאוקריוטים כולל הרצף הלא מתורגם בקצה ב-'3 סיגנל לביקוע ופוליאדנילציה (cleavage and polyadenylation signal). זהו רצף נוקלאוטידים בתעתיק אשר עוד במהלך תהליך השעתוק מזוהה על ידי חלבונים המצומדים לחלבון רנ"א פולימראז II ומביאים לחיתוך התעתיק, ובכך גם מאותתים להפסקת הסינתזה, ומגייסים את האנזים (olynucleotide adenylyltransferase‏ (PAP) שאחראי לסינתזת זנב הפולי-A המאפיין מולקולת mRNA. רצף הזיהוי הוא AAUAAA, והביקוע ויצירת זנב הפולי-A מתבצעים כ-20-30 נוקלאוטידים במעלה הזרם לאחר רצף נוקלאוטידים של CA (ציטידין ואדנוזין).
• מבנה מרחבי מוגדר של לולאה ב-UTR‏ '3 הנוצר עקב נוכחות הרצף SECIS‏ (selenocysteine insertion sequence) מתווך הכנסה של חומצת האמינו סלנוציסטאין לרצף החלבון המסונטז. חומצה אמינית זו מוכנסת בעקבות היווצרות המבנה המרחבי המביא לגיוס מולקולת tRNA ייחודית לריבוזום הקושרת סלנוציסטאין ומזהה את הקודון UGA, אשר בדרך כלל משמש כקודון פסק.

UTR‏ '3 ומחלות

מוטציות ב-UTR‏ '3 עשויות לפגום בביטוי גנים באופן ישיר או עקיף, ובהתאם לכך נמצא קשר ביניהן לבין מחלות שונות. מחקרים העלו כי מוטציות ברצפי AREs עשויות להביא לממאירות ויצירת גידולים סרטניים^[10][11], כמו כן נמצא כי בתאי סרטן יש בממוצע UTR‏ '3 קצר יותר, וכך תעתיקים רבים נתונים לבקרה פחותה^[12].

כניסה של רצפים חוזרניים שמקורם בשגיאות בהכפלת ה-DNA או בפעילות של רטרוטרנספוזונים, לגנים שונים ב-UTR‏ '3 נמצאה כקשורה למחלות שונות כגון: ניוון שרירים מסוג מיוטוניה דיסטרופית^[13], מומי לב מולדים^[6] ועוד.

לקריאה נוספת

• mRNA
• DNA
• ncRNA
• שעתוק (ביולוגיה)
• תרגום
• פוליאדנילציה

קישורים חיצוניים

• מאגר המידע UTRome
• מאגר המידע UTRdb

הערות שוליים

1. Wilkie GS (2003). "Regulation of mRNA translation by 5'- and 3'-UTR-binding factors". Trends Biochem Sci. 28 (4): 182–8. doi:10.1016/S0968-0004(03)00051-3. PMID 12713901.
2. Graziano Pesole (2001). "Structural and functional features of eukaryotic mRNA untranslated regions". Gene. 276 (1–2): 78–81. doi:10.1016/S0968-0004(03)00051-3. PMID 11591473.
3. Can Cenik (2010). "Genome-wide functional analysis of human 5' untranslated region introns". Genome Biology. 11 (3): R29. doi:10.1186/gb-2010-11-3-r29. PMID 20222956.
4. Richard S. Eisenstein. (2000). "Iron regulatory proteins and the molecular control of mammalian iron metabolism". Annual Review of Nutrition. 20: 627–662. doi:10.1146/annurev.nutr.20.1.627. PMID 10940348.
5. Cenik, C (2011). "Genome analysis reveals interplay between 5' UTR introns and nuclear mRNA export for secretory and mitochondrial genes". PLoS Genetics. 7 (4). doi:10.1371/journal.pgen.1001366. PMID 21533221.
6. Chatterjee, Sangeeta; Jayanta K. Pal (2009). "Role of 5'- and 3'-untranslated regions of mRNAs in human diseases". Biology of the Cell. 101: 251–262. doi:10.1042/BC20080104.
7. Barrett, Lucy W.; Fletcher, Sue; Wilton, Steve D. (27 באפריל 2012). "Regulation of eukaryotic gene expression by the untranslated gene regions and other non-coding elements". Cellular and Molecular Life Sciences. 69 (21): 3613–3634. doi:10.1007/s00018-012-0990-9. {{cite journal}}: (עזרה)
8. Pichon, Xavier; A. Wilson, Lindsay; Stoneley, Mark; Bastide, Amandine; A King, Helen; Somers, Joanna; E Willis, Anne (1 ביולי 2012). "RNA Binding Protein/RNA Element Interactions and the Control of Translation". Current Protein & Peptide Science. 13 (4): 294–304. doi:10.2174/138920312801619475. {{cite journal}}: (עזרה)
9. Federico Bolognani and Nora Perrone-Bizzozero (2008). "RNA-protein interactions and control of mRNA stability in neurons". J Neurosci Res. 86 (3): 481–489. doi:10.1002/jnr.21473. PMID 17853436.
10. Baou, M.; Norton, J. D.; Murphy, J. J. (13 בספטמבר 2011). "AU-rich RNA binding proteins in hematopoiesis and leukemogenesis". Blood. 118 (22): 5732–5740. doi:10.1182/blood-2011-07-347237. {{cite journal}}: (עזרה)
11. Khabar, Khalid S. A. (22 במאי 2010). "Post-transcriptional control during chronic inflammation and cancer: a focus on AU-rich elements". Cellular and Molecular Life Sciences. 67 (17): 2937–2955. doi:10.1007/s00018-010-0383-x. {{cite journal}}: (עזרה)
12. Mayr C (2009). "Widespread shortening of 3'UTRs by alternative cleavage and polyadenylation activates oncogenes in cancer cells". Cell. 138 (4): 673–84. doi:10.1016/j.cell.2009.06.016. PMID 19703394.
13. Conne, Béatrice; Stutz, André; Vassalli, Jean-Dominique (1 ביוני 2000). "The 3' untranslated region of messenger RNA: A molecular 'hotspot' for pathology?". Nature Medicine. 6 (6): 637–641. doi:10.1038/76211. {{cite journal}}: (עזרה)