Loading AI tools
Контро́ль ка́чества мРНК[1] (англ. mRNA surveillance) — совокупность молекулярных механизмов, обеспечивающих отбраковывание дефектных мРНК и не допускающих их трансляцию[2][3]. Механизмы контроля качества мРНК действуют на разных этапах биогенеза мРНК. Как правило, они приводят к тому, что дефектные мРНК оказываются помеченными специфическим образом и благодаря этому распознаются ферментами-нуклеазами, разрушающими их[4].
Механизмы контроля качества мРНК описаны у бактерий и эукариот, причём у последних они протекают как в ядре, так и в цитоплазме[5]. Результатом работы этих механизмов в ядре является разрушение дефектных транскриптов, не допускающее их перемещение в цитоплазму. В цитоплазме транскрипты проверяются на наличие преждевременных стоп-кодонов[4][5].
В клетках эукариот описаны три механизма контроля качества мРНК: нонсенс-опосредованный распад (англ. nonsense-mediated decay, NMD), nonstop-деградация и no-go-деградация[6].
Нонсенс-опосредованный распад (NMD) направлен на выявление и разрушение мРНК, содержащих преждевременные стоп-кодоны. Преждевременные стоп-кодоны могут появляться из-за мутаций в клетках зародышевой линии и соматических клетках, ошибках в транскрипции или посттранскрипционном процессинге мРНК[7][8]. Если такие мРНК не будут разрушаться, с них будут синтезированы усечённые белки, которые могут быть вредоносными для клетки[9]. Преждевременные стоп-кодоны задействованы в развитии примерно 30 % наследственных заболеваний. Таким образом, NMD играет важную роль в жизнедеятельности организма[10][11].
У дрожжей Saccharomyces cerevisiae и нематоды Caenorhabditis elegans в качестве необходимых транс-действующих факторов NMD функционируют три белка smg (smg1—7) и три белка UPF (Upf1—3)[12][13]. Соответствующие гены имеются и у плодовой мушки Drosophila melanogaster, и у млекопитающих, и их белковые продукты также участвуют в NMD[14]. В целом, у всех эукариот имеются белковые комплексы, задействованные в NMD: UPF1/SMG-2, UPF2/SMG-3 и UPF3/SMG-4. Однако их роли в NMD являются предметов споров. Неясно также, какие именно взаимодействия между этими белками происходят в действительности[15][12][14][16][17].
Было показано, что некоторые мРНК, содержащие преждевременные стоп-кодоны, не подвергаются NMD[18][19]. Как правило, в таких мРНК преждевременный стоп-кодон располагается в самом начале открытой рамки считывания[20]. Например, мРНК β-глобулина содержит преждевременный стоп-кодон в самом начале первого экзона и при этом не подвергается NMD. Детали механизма, позволяющего таким мРНК избежать разрушения, неизвестны. Было высказано предположение, что в нём задействован поли(А)-связывающий белок[англ.] (PABP)[21].
У млекопитающих
Было показано, что у млекопитающих для запуска разрушения мРНК важны нуклеотиды, расположенные на 50—54 и более нуклеотидов выше последнего места соединения двух экзонов[3][5][7][8][9][18]. Нуклеотиды, расположенные ниже этой точки, никакого значения для NMD не имеют. Таким образом, преждевременные стоп-кодоны располагаются на 50—54 нуклеотида выше, чем последняя граница двух экзонов, а нормальные стоп-кодоны находятся в концевых экзонах[22]. Границы между экзонами отмечают белковые комплексы сращивания экзонов (англ. Exon junction complexes, EJCs). EJC — это многобелковый комплекс, который собирается на транскрипте в ходе сплайсинга на 20—24 нуклеотида выше сайта сплайсинга[23]. Именно благодаря EJC можно отличить преждевременные стоп-кодоны от нормальных. Распознавание преждевременных стоп-кодонов зависит от определения границ между экзонов, поэтому в NMD у млекопитающих задействована сплайсосома[18][24]. Путь NMD не запускается дефектными транскриптами, считанными с генов, которые не содержат интронов, такие как ген гистона H4[англ.], Hsp70[англ.] и мелакортин-4-рецептора[англ.][9].
В норме комплексы EJC находятся после стоп-кодонов. По мере продвижения рибосомы по мРНК она вытесняет комплексы EJC. Когда рибосома доходит до преждевременного стоп-кодона, факторы трансляции eRF1[англ.] и eRF3[англ.] связываются с невытесненными комплексами EJC, образуя многобелковый мостик[25]. UPF1 взаимодействует с UPF2/UPF3 оставшегося EJC, запуская разрушение мРНК эндогенными нуклеазами[22][25].
У беспозвоночных
У таких организмов, как S. cerevisiae, D. melanogaster и C. elegans, распознавание стоп-кодонов не связано с границами между экзонами[24], и у них NMD не связан со сплайсингом. По этой причине NMD беспозвоночных не требует участия EJC[4]. Предложено несколько возможных механизмов, позволяющих отличить нормальные стоп-кодоны от преждевременных в клетках беспозвоночных. Согласно одной гипотезе, у них имеется некие последовательности, располагающиеся после преждевременных стоп-кодонов и функционирующие подобно EJC[15]. Вторая модель предполагает, что позиционную информацию, необходимую для различения нормальных и преждевременных стоп-кодонов, могут обеспечивать такие широко распространённые элементы мРНК, как 3'-концевой поли(А)-хвост[26]. Согласно ещё одной модели, 3'-концевые участки, расположенные после нормальных и после преждевременных стоп-кодонов, различаются, например, по связанным с ними белкам. Впрочем, ни одну из этих гипотез пока не удалось подтвердить экспериментально[4].
У растений
У растений имеется два механизма распознавания преждевременных стоп-кодонов: первый связан с расстоянием до EJC, как у позвоночных, а второй опирается на расстояние от стоп-кодона до поли(А)-хвоста. У растений по пути NMD разрушаются мРНК, 3'-нетранслируемая область которых длиннее 300 нуклеотидов, поэтому у растений мРНК с длинными 3'-нетранслируемыми областями встречаются гораздо реже, чем у позвоночных[27][28].
Nonstop-деградация (англ. nonstop mediated decay, NSD) направлена на узнавание и разрушение транскриптов, лишённых стоп-кодонов[30][31]. Такие мРНК могут появиться в результате преждевременного 3'-полиаденилирования, при котором сигналы полиаденилирования находятся в кодирующей области транскрипта[32]. Рибосома, связывающаяся с такими мРНК, осуществляет их трансляцию, пока на она не дойдёт до поли(А)-хвоста, на котором «зависает», и не может диссоциировать от мРНК[33]. Если не избавляться от мРНК без стоп-кодонов, то многие рибосомы будут неспособны транслировать нормальные мРНК, будучи связанными с дефектными транскриптами. Nonstop-деградация высвобождает «зависшие» рибосомы и отправляет мРНК без стоп-кодона на деградацию нуклеазами. Nonstop-деградация протекает по двум основным механизмам, которые, вероятно, действуют совместно[30][31].
Путь Ski7
Белок Ski7, как предполагается, может связываться с пустым А-сайтом рибосомы и тем самым помогает «зависшим» рибосомам освободиться от транскрипта без стоп-кодона. После диссоциации рибосомы Ski7 остаётся связанным с дефектным транскриптом, и именно в таком виде транскрипт разрушается цитозольными экзосомами. Комплекс экзосомы с Ski7 быстро деаденилирует мРНК, и далее экзосома разрушает транскрипт в направлении от 3'-конца к 5'-концу[30][31].
Путь, независимый от Ski7
Второй путь NSD был впервые описан у дрожжей. В отсутствие Ski7 поли(А)-связывающие белки (PABP) диссоциируют от поли(А)-хвоста. Из-за диссоциации белков PABP с транскрипта удаляется защитный 5'-концевой кэп, и транскрипт быстро разрушается эндогенными экзонуклеазами, например, XrnI, направлении от 5'-конца к 3'-концу[31].
No-go-деградация (англ. No-Go decay, NGD) была описана последней из известных на данный момент механизмов контроля качества мРНК[34], и её механизм ещё не выяснен до конца. Точно неизвестно, какие мРНК являются мишенями NGD, однако предполагается, что это мРНК, на которых в ходе трансляции рибосома «зависла». Это может быть обусловлено вторичной структурой, элементы которой могут физически препятствовать продвижению рибосомы[34]. Комплекс Dom34/Hbs1, вероятно, связывается с мРНК неподалёку от А-сайта «зависшей» рибосомы и помогает ей покинуть транскрипт[35]. В некоторых случаях в транскрипт вносится разрез рядом с тем местом, на котором «зависла» рибосома, однако вносящие этот разрез эндонуклеазы не идентифицированы. Фрагменты транскрипта далее окончательно разрушаются экзосомами в направлении от 3'-конца к 5'-концу или экзонуклеазой Xrn1 в обратном направлении[34]. Не известно, каким именно образом Dom34/Hbs1 способствует диссоциации «зависшей» рибосомы, однако известно, что белок Hbs1 родственен белку Ski7, который выполняет аналогичную роль в nonstop-деградации[7][36].
Прослеживая консервативность ключевых белков каждого из механизмов контроля качества мРНК, можно восстановить эволюционную историю этих механизмов. Под ключевыми белками понимаются Dom34/Hbs1 в NGD[34], Ski7 в NSD[30] и eRF в NMD[8]. С помощью BLAST было определено наличие этих белков в разных группах организмов. Оказалось, что Hbs1 (NGD) и eRF3 (NMD) выявляются только у эукариот, а Dom34 (NGD) есть у эукариот и архей. В связи с этим NGD, вероятно, был первым механизмом контроля качества мРНК. Белок Ski7 (NSD) обнаруживается только у дрожжей, поэтому NSD, по всей видимости, появился последним из трёх механизмов. Таким образом, NMD появился вторым из них[37].
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
