Гипотеза мира РНК (стр. 5 из 7)
Рис. 6. Механизм интерференции РНК
I.5 Структура РНК-содержащих стрессовых гранул
При некоторых видах стресса например, при тепловом шоке, воздействии УФ-офлучения, энергетическом голодании, окислительном стрессе в цитоплазме клеток возникают стрессовые гранулы – плотные РНП-содержащие цитоплазматические тельца. В стрессовые гранулы при стрессе включается не вся клеточная мРНК: часть ее продолжает сохранять диффузное распределение в цитоплазме. По-видимому, для инкорпорации мРНК в стрессовые гранулы не нужны какие-либо специфические сигнальные последовательности, поскольку репортерная мРНК, не несущая известных сигнальных последовательностей, включается в состав стрессовых гранул. Скорее всего, специфические сигнальные последовательности
нужны для исключения РНК из стрессовых гранул. Возможно, что из стрессовых гранул выводятся как раз те РНК, трансляция которых необходима при стрессе.
В составе стрессовых гранул выявлены различные РНК-связывающие белки, связывающие как большинство цитоплазматических мРНК, так и специфические последовательности в определенных мРНК. К первой группе можно отнести РАВР (поли(А)-связывающий белок), FMRP, основной белок мРНП YВ-1. Белок Staufen, входящий в состав транспортирующихся мРНП, входит и в состав стрессовых гранул в олигодендроцитах, вероятно, как «неспецифический» РНК-связывающий белок. Ко второй группе относятся различные белки, специфически связывающие АU-богатые последовательности (АRE), содержащиеся в З'-концевой некодирующей области некоторых, обычно короткоживущих, мРНК. Из этой группы белков локализация в стрессовых гранулах была показана для тристетрапролина (ТТР), эндорибонуклеазы G3ВР, белков НuR, ВRF1, ТIА-1 и ТIAR.
Структурная основа стрессовых гранул не изучена, но весьма вероятно, что она состоит из прионоподобного конгломерата РНК-связывающего белка ТIА-1, обычно локализованного в ядре.
Одной из первых адаптивных реакций при стрессовых воздействиях на эукариотическую клетку является изменение в системе трансляции. С одной стороны, происходит общее падение уровня синтеза белка в клетке, а с другой – активация трансляции некоторых видов мРНК. Образование стрессовых гранул происходит одновременно с общим снижением синтеза белка. В настоящий момент принято считать, что именно ингибирование синтеза белка на стадии инициации трансляции вызывает появление стрессовых гранул в цитоплазме. В случае окислительного стресса, вызванного арсенатом, образование стрессовых гранул зависит от ингибирования инициации трансляции за счет фосфорилирования фактора еIF2. Фосфорилирование α-субъединицы еIF2 по Sег-52 приводит к тому, что еIF2 прочно связывается с фактором еIF2В и блокирует замену GDР на GТР. В результате в клетке происходит резкое уменьшение количества активной формы фактора еIF2-GТР и, соответственно, снижение уровня тройственного комплекса (еIF2-тРНКМеt-GТР). В такой ситуации формируются неканонические инициаторные комплексы, которые не могут перейти к элонгации трансляции.
Каков бы ни был механизм, запускающий образование стрессовых гранул, при стрессорном воздействии первоначально диффузное распределение мРНП сменяется на локализацию в отдельных точках цитоплазмы – стрессовых гранулах. Для подобного изменения локализации необходимы значительные перемещения индивидуальных мРНП. При этом необходимо отметить, что размер мРНП достаточно велик и свободная диффузия частиц подобного размера в цитоплазме ограничена. Преодоление ограничения диффузии в клетке происходит за счет активного транспорта по цитоскелету – микротрубочкам или актиновым филаментам. Разрушение актиновых филаментов не ингибирует образование стрессовых гранул, в отличие от нарушения системы микротрубочек. Вызванная действием фармакологических агентов деполимеризация микротрубочек в клетке подавляет образование стрессовых гранул. Восстановление микротрубочек на фоне окислительного стресса вызывает возникновение в такой клетке стрессовых гранул. Скорее всего, роль микротрубочек в формировании стрессовых гранул заключается в активном транспорте мРНП. Стрессовые гранулы способны перемещаться по клетке, и их движение подавляется при разрушении микротрубочек. Компоненты стрессовых гранул обмениваются с цитоплазмой, и этот обмен также значительно замедляется после разборки микротрубочек. Таким образом, микротрубочки необходимы для пространственного перемещения компонентов стрессовых гранул (поли(А)-связывающего белка, фактора eIF2, белка TIA-1).
Функции стрессовых гранул пока остаются непонятными. Можно предположить, что роль стрессовых гранул состоит в подавлении трансляции большинства матриц при избирательном отсутствии подавления трансляции определенных мРНК. Так, активно транслирующаяся при стрессе мРНК шаперона Нsp70 не включается в стрессовые гранулы. Синтез в клетках рекомбинантной укороченной формы белка ТIА-1, ингибирующей образование стрессовых гранул, одновременно усиливает трансляцию репортерной мРНК в клетках, подвергнутых стрессу. Стрессовые гранулы можно представить как «зал ожидания», в котором «пассажиры» - неполные инициаторные комплексы – терпеливо пережидают нелетную погоду.
I.6 Появление концепции «Мира РНК»
Действительно, РНК является уникальным биополимером, которому свойственны как функции ДНК, так и белков. Ее уникальные свойства быть как носителем наследуемой информации, так и возможность образовывать сложные трехмерные структуры, обладающие каталитической активностью, определяют то, что первичной молекулой могла быть РНК. Таким образом, в одной молекуле заложены как генотип, так и фенотип. Ключевым ферментом такого мира должен быть фермент РНК-репликаза, сделанный из РНК. Спектр реакций, выполняемых ферментами РНК – рибозимами – очень широк, поэтому в последнее время ведутся очень активные поиски новых рибозимов, способных осуществлять другие типы реакций.
I.6.1 Рибозимы
Рибозимы — не совсем ферменты: по своей химической природе это не белки, а тоже молекулы РНК, только выполняющие специальные функции. Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК. У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры. То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ.
Первые рибозимы, обнаруженные Альтманом и Чеком в 1982-1983 гг, были не особенно эффективны: они лишь разрезали и соединяли отдельные фрагменты целых молекул РНК. Однако дальнейшие исследования продемонстрировали, что эти ферменты могут катализировать и другие реакции. Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов. При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп – тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции. Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами.
У ряда видов примитивных эукариот (Tetrahymena thermophila и др.) гены рРНК содержат особые интроны (интроны группы 1), для которых характерен уникальный механизм сплайсинга. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных. Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены (аналог 28S рРНК высших эукариот), выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг (сплайсинг типа I).
Оказалось, что содержащаяся внутри 26S рРНК тетрахимены вставка (интрон) длиной 400 нуклеотидов способна сама осуществлять вырезание этого интрона и сшивание экзонов в присутствии Мg2+ и свободного гуанозина (либо его фосфорилированных производных). Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов.
Аутосплайсинг индуцируется гуанозином, гидроксильная группа которого атакует фосфатную группу на 5'-конце интрона, в результате чего разрывается межнуклеотидная (фосфодиэфирная) связь и высвобождается З'-конец экзона 1. Затем гидроксильная группа, содержащаяся на З'-конце экзона 1, атакует фосфатную группу на З'-конце интрона, что ведет к вычленению интрона и замыканию фосфодиэфирной связи между ОН-группой З'-конца экзона 1 и 5'-фосфатной группой экзона 2. Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов (L-19 IVS), которая и представляет собой истинный РНК-фермент (рибозим), обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК.
эукариотический хромосома рибонуклеиновый ген
Рис. 7. Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима
Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной (полимеразной) активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов (олиго-С). Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности (у тетрахимены это последовательность GGАGGG), называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК.