Μικρό πυρηνικό RNA

Το Μικρό πυρηνικό RNA (snRNA) είναι μια κατηγορία μορίων μικρού RNA που βρίσκονται εντός των κοκκίων ματίσματος (splicing speckles) και των σωματιδίων Cajal (Cajal bodies) του κυτταρικού πυρήνα σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Το μήκος ενός μέσου snRNA είναι περίπου 150 νουκλεοτίδια. Μεταγράφονται από RNA πολυμεράση II ή III. Η κύρια λειτουργία τους είναι η επεξεργασία του προ-αγγελιοφόρου RNA (hnRNA (ετερογενούς πυρηνικού RNA)) στον πυρήνα. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι βοηθούν στη ρύθμιση των παραγόντων μεταγραφής (7SK RNA) ή της RNA πολυμεράσης II (B2 RNA) και στη διατήρηση των τελομερών. Το snRNA συνδέεται πάντα με ένα σύνολο συγκεκριμένων πρωτεϊνών και τα σύμπλοκα αναφέρονται ως μικρές πυρηνικές ριβονουκλεοπρωτεΐνες (snRNP, small nuclear ribonucleoproteins). Κάθε σωματίδιο snRNP αποτελείται από ένα συστατικό snRNA και αρκετές ειδικές για το snRNP πρωτεΐνες (συμπεριλαμβανομένων των Sm πρωτεϊνών, μιας οικογένειας πυρηνικών πρωτεϊνών). Τα πιο κοινά ανθρώπινα συστατικά snRNA αυτών των συμπλεγμάτων είναι γνωστά, αντίστοιχα, ως: ματισματοσωματικό RNA U1, U2, U4, U5 και U6. Η ονοματολογία τους προέρχεται από την υψηλή περιεκτικότητά τους σε ουριδίνη (U). Τα snRNA ανακαλύφθηκαν τυχαία κατά τη διάρκεια ενός πειράματος ηλεκτροφόρησης γέλης το 1966. Ένας απροσδόκητος τύπος RNA βρέθηκε στη γέλη και διερευνήθηκε. Η μεταγενέστερη ανάλυση έδειξε ότι αυτά τα RNA ήταν υψηλά σε ουριδυλικό και είχαν εγκατασταθεί στον πυρήνα. Τα snRNA και τα μικρά πυρηνισκικά RNAs (snoRNAs) δεν είναι τα ίδια και ούτε είναι υποτύποι του άλλου. Και τα δύο είναι διαφορετικά και αποτελούν κατηγορία κάτω από μικρά RNA. Αυτά είναι μικρά μόρια RNA που παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην αβιογένεση του RNA και καθοδηγούν τις χημικές τροποποιήσεις των ριβοσωμικών RNA (rRNAs) και άλλων γονιδίων RNA (tRNA και snRNAs). Βρίσκονται στον πυρηνίσκο και στα σωματίδια Cajal των ευκαρυωτικών κυττάρων (οι κύριες θέσεις σύνθεσης RNA), όπου ονομάζονται μικρά RNAs των σωματιδίων Cajal (Small Cajal-specific body-RNA, scaRNAs)

 Τα snRNA χωρίζονται συχνά σε δύο κατηγορίες με βάση τόσο τα κοινά χαρακτηριστικά αλληλουχίας όσο και τους σχετικούς πρωτεϊνικούς παράγοντες όπως οι πρωτεΐνες LSm που δεσμεύουν το RNA. Η πρώτη κατηγορία, γνωστή ως κατηγορία Sm των snRNA, έχει μελετηθεί ευρύτερα και αποτελείται από U1, U2, U4, U4atac, U5, U7, U11 και U12. Το snRNA της κατηγορίας Sm μεταγράφεται από RNA πολυμεράση II. Τα pre-snRNA μεταγράφονται και λαμβάνουν το σύνηθες 5 πρωτογενές άκρο της 7-μεθυλγουανοσίνη στον πυρήνα. Στη συνέχεια εξάγονται στο κυτταρόπλασμα μέσω πυρηνικών πόρων για περαιτέρω επεξεργασία. Στο κυτταρόπλασμα, το snRNA ψαλιδίζεται στη θέση 3' για να σχηματίσει μια δομή 3' κορμού-θηλειάς, καθώς και υπερμεθυλίωση του 5' άκρου για να σχηματίσει τριμεθυλγουανοσίνη. Η δομή του κορμού 3' είναι απαραίτητη για την αναγνώριση από την πρωτεΐνη επιβίωσης του κινητικού νευρώνα (survival of motor neuron, SMN). Αυτό το σύμπλεγμα συναρμολογεί το snRNA σε σταθερές ριβονουκλεοπρωτεΐνες (RNPs). Το τροποποιημένο άκρο 5′ απαιτείται στη συνέχεια για την εισαγωγή του snRNP πίσω στον πυρήνα. Όλα αυτά τα πλούσια σε ουριδίνη snRNA, με εξαίρεση το U7, αποτελούν τον πυρήνα του σωματίου ματίσματος. Το μάτισμα ή η αφαίρεση των εσωνίων είναι μια σημαντική πτυχή της μετα-μεταγραφικής τροποποίησης και λαμβάνει χώρα μόνο στον πυρήνα των ευκαρυωτών. Το U7 snRNA έχει βρεθεί ότι λειτουργεί στην επεξεργασία του pre-mRNA της ιστόνης. Η δεύτερη κατηγορία, γνωστή ως Lsm-class snRNA, αποτελείται από το U6 και το U6atac. Τα snRNA της κατηγορίας Lsm μεταγράφονται από την RNA πολυμεράση III και δεν φεύγουν ποτέ από τον πυρήνα, σε αντίθεση με το snRNA της κατηγορίας Sm. Τα snRNA της κατηγορίας Lsm περιέχουν ένα άκρο 5'-γ-μονομεθυλοφωσφορικού και ένα βρόχο στελέχους 3', που καταλήγει σε ένα τέντωμα ουριδινών που σχηματίζουν τη θέση δέσμευσης για έναν ξεχωριστό ετεροεπταμερή δακτύλιο πρωτεϊνών Lsm. Τα ματισματοσώματα καταλύουν το μάτισμα, ένα αναπόσπαστο βήμα στην ωρίμανση του ευκαρυωτικού πρόδρομου αγγελιοφόρου RNA. Ένα λάθος ματίσματος ακόμη και σε ένα νουκλεοτίδιο μπορεί να είναι καταστροφικό για το κύτταρο και μια αξιόπιστη, επαναλαμβανόμενη μέθοδος επεξεργασίας RNA είναι απαραίτητη για να διασφαλιστεί η κυτταρική επιβίωση. Το ματισματόσωμα είναι ένα μεγάλο σύμπλεγμα πρωτεΐνης-RNA που αποτελείται από πέντε μικρά πυρηνικά RNA (U1, U2, U4, U5 και U6) και περισσότερες από 150 πρωτεΐνες. Τα snRNA, μαζί με τις συσχετιζόμενες πρωτεΐνες τους, σχηματίζουν σύμπλοκα ριβονουκλεοπρωτεϊνών (snRNPs), τα οποία συνδέονται με συγκεκριμένες αλληλουχίες στο υπόστρωμα του προ-mRNA. Αυτή η περίπλοκη διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα δύο διαδοχικές αντιδράσεις μετεστεροποίησης. Αυτές οι αντιδράσεις θα παράξουν ένα ελεύθερο βρόχου (lariat) εσώνιο και θα απολινώσουν δύο εξώνια για να σχηματίσουν ένα ώριμο mRNA. Υπάρχουν δύο ξεχωριστές κατηγορίες ματισματοσωμάτων. Η κύρια κατηγορία, η οποία είναι πολύ πιο άφθονη στα ευκαρυωτικά κύτταρα, συνδυάζει κυρίως εσώνια τύπου U2. Το αρχικό βήμα του ματίσματος είναι η σύνδεση του U1 snRNP και των σχετικών πρωτεϊνών του στο άκρο ματίσματος 5' με το hnRNA. Αυτό δημιουργεί το σύμπλεγμα δέσμευσης που θα περιορίσει το hnRNA στο μονοπάτι ματίσματος. Στη συνέχεια, το U2 snRNP στρατολογείται στη θέση δέσμευσης ματισματοσώματος και σχηματίζει το σύμπλοκο Α, μετά το οποίο το σύμπλοκο U5.U4/U6 τρι-snRNP συνδέεται με το σύμπλοκο Α για να σχηματίσει τη δομή που είναι γνωστή ως σύμπλοκο Β. Μετά την αναδιάταξη, σχηματίζεται σύμπλοκο C και το ματισματόσωμα είναι ενεργό για κατάλυση. Στο καταλυτικά ενεργό ματισματόσωμα των U2 και U6 snRNA αναδιπλώνονται για να σχηματίσουν μια συντηρημένη δομή που ονομάζεται καταλυτικό τριπλό (τρίπλεξ). Αυτή η δομή συντονίζει δύο ιόντα μαγνησίου που σχηματίζουν την ενεργή θέση του ματισματοσώματος. Αυτό είναι ένα παράδειγμα κατάλυσης RNA. Εκτός από αυτό το κύριο σύμπλεγμα ματισματοσώματος, υπάρχει ένα πολύ λιγότερο κοινό (~ 1%) έλασσον ματισματόσωμα. Αυτό το σύμπλεγμα περιλαμβάνει U11, U12, U4atac, U6atac και U5 snRNP. Αυτά τα snRNP είναι λειτουργικά ανάλογα των snRNP που χρησιμοποιούνται στο μείζον ματισματόσωμα. Το έλασσον ματισματόσωμα συνδέει εσώνια τύπου U12. Οι δύο τύποι εσωνίων διαφέρουν κυρίως στις θέσεις ματίσματος: τα εσώνια τύπου U2 έχουν θέσεις ματίσματος GT-AG 5' και 3', ενώ τα εσώνια τύπου U12 έχουν AT-AC στα άκρα τους 5' και 3'. Το έλασσον ματισματόσωμα εκτελεί τη λειτουργία του μέσω διαφορετικής οδού από το μείζον ματισματόσωμα. Το U1 snRNP είναι ο εκκινητής της ματισματοσωματικής δραστηριότητας στο κύτταρο με σύζευξη βάσεων με τη θέση ματίσματος 5' του προ-mRNA. Στο μείζον ματισματόσωμα, πειραματικά δεδομένα έδειξαν ότι το U1 snRNP υπάρχει σε ίση στοιχειομετρία με τα U2, U4, U5 και U6 snRNP. Ωστόσο, η αφθονία των U1 snRNP στα ανθρώπινα κύτταρα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των άλλων snRNP. Μέσω της αδρανοποίησης της γονιδιακής έκφρασης του U1 snRNA σε κύτταρα HeLa, μελέτες έχουν δείξει ότι το U1 snRNA έχει μεγάλη σημασία για την κυτταρική λειτουργία. Όταν τα γονίδια U1 snRNA αδρανοποιήθηκαν, οι γονιδιωματικές μικροσυστοιχίες έδειξαν αυξημένη συσσώρευση μη ματισμένου προ-mRNA. Επιπλέον, η αδρανοποίηση αποδείχθηκε ότι προκαλεί πρόωρη διάσπαση και πολυαδενυλίωση κυρίως σε εσώνια που βρίσκονται κοντά στην αρχή της μεταγραφής. Όταν άλλα snRNA με βάση την ουριδίνη αποκλείστηκαν, αυτό το αποτέλεσμα δεν φάνηκε. Έτσι, το ζεύγος βάσεων U1 snRNA-προ-mRNA αποδείχθηκε ότι προστατεύει το προ-mRNA από πολυαδενυλίωση καθώς και από πρόωρη διάσπαση. Αυτή η ειδική προστασία μπορεί να εξηγήσει την υπεραφθονία των U1 snRNA στο κύτταρο. Μέσω της μελέτης μικρών πυρηνικών ριβονουκλεοπρωτεϊνών (snRNPs) και μικρών πυρηνικών (sno)RNPs μπορέσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα πολλές σημαντικές ασθένειες. Στη 'Νωτιαία μυϊκή ατροφία - Οι μεταλλάξεις στο γονίδιο επιβίωσης του κινητικού νευρώνα-1 (SMN1) έχουν ως αποτέλεσμα τον εκφυλισμό των νωτιαίων κινητικών νευρώνων και σοβαρή μυϊκή απώλεια. Η πρωτεΐνη SMN συγκεντρώνει snRNPs κατηγορίας Sm, και πιθανώς επίσης snoRNPs και άλλα RNP. Η νωτιαία μυϊκή ατροφία επηρεάζει έως και 1 στους 6.000 ανθρώπους και είναι η δεύτερη κύρια αιτία της νευρομυϊκής νόσου, μετά τη Μυϊκή δυστροφία Ντουσέν. Στη Συγγενή δυσκεράτωση – Οι μεταλλάξεις στα συναρμολογημένα snRNPs βρέθηκε επίσης ότι αποτελούν αιτία της συγγενούς δυσκεράτωσης, ενός σπάνιου συνδρόμου που εκδηλώνεται με μη φυσιολογικές αλλαγές στο δέρμα, τα νύχια και τη βλεννογόνο μεμβράνη. Ορισμένες τελικές συνέπειες αυτής της ασθένειας περιλαμβάνουν ανεπάρκεια μυελού των οστών καθώς και καρκίνο. Αυτό το σύνδρομο έχει αποδειχθεί ότι προκύπτει από μεταλλάξεις σε πολλαπλά γονίδια, συμπεριλαμβανομένων των δυσκερίνης, τελομεράσης RNA και αντίστροφης μεταγραφάσης τελομεράσης. Στο σύνδρομο Πράντερ-Γουίλι – Αυτό το σύνδρομο επηρεάζει έως και 1 στους 12.000 ανθρώπους και παρουσιάζει έντονη πείνα, γνωστικά και συμπεριφοριακά προβλήματα, κακό μυϊκό τόνο και χαμηλό ανάστημα.. Το σύνδρομο έχει συνδεθεί με τη διαγραφή μιας περιοχής του πατρικού χρωμοσώματος 15 που δεν εκφράζεται στο μητρικό χρωμόσωμα. Αυτή η περιοχή περιλαμβάνει ένα ειδικό για τον εγκέφαλο snRNA που στοχεύει τον υποδοχέα σεροτονίνης-2C του mRNA. Στο Μυελοβλάστωμα (Medulloblastoma) – Το U1 snRNA μεταλλάσσεται σε ένα υποσύνολο αυτών των όγκων εγκεφάλου και οδηγεί σε αλλοιωμένο μάτισμα του RNA. Οι μεταλλάξεις εμφανίζονται κυρίως σε όγκους ενηλίκων και συνδέονται με κακή πρόγνωση. Στα Ευκαρυωτικά κύτταρα, τα snRNA περιέχουν σημαντική ποσότητα τροποποιήσεων 2'-O-μεθυλίωσης και ψευδοουριδυλίωσης. Αυτές οι τροποποιήσεις σχετίζονται με τη δραστηριότητα snoRNA που τροποποιεί κανονικά τα πρόωρα rRNAs, αλλά έχουν παρατηρηθεί στην τροποποίηση άλλων κυτταρικών στόχων RNA όπως στα snRNA. Τέλος, η ολιγο-αδενυλίωση μπορεί να καθορίσει την τύχη των snRNA και έτσι να επάγει την αποσύνθεση του RNA τους. Αυτός ο μηχανισμός που ρυθμίζει την αφθονία των snRNA συνδέεται με τη σειρά του με μια ευρεία αλλαγή του εναλλακτικού ματίσματος RNA.