آران‌ای پیام‌رسان

سنتز، پردازش و عملکرد

به طورخلاصه عملکرد مولکول mRNA با رونویسی از روی DNA شروع شده و با از هم پاشیدگی تمام می‌شود. در طول زندگی، مولکول mRNA ممکن است که پردازش شده، تغییر یابد یا قبل از ترجمه، منتقل شود. مولکول‌های mRNA یوکاریوتی، معمولاً نیازمند پردازش و انتقال بیشتری هستند در حالی‌که مولکول‌های پروکاریوتی این‌گونه نیستند.

رونویسی

در طول رونویسی(ساخت mRNAاز روی DNA)، آران‌ای پلی‌مراز(در نقش آنزیم)، هنگام نیاز، یک کپی از ژن DNA به mRNA درست می‌کند. این فرایند در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها مانند هم است. یک تفاوت مهم این است که RNA polymeraseهای پروکاریوتی در ارتباط با آنزیم‌های پردازشی mRNA در طول رونویسی می‌باشند تا پردازش بتواند پس از شروع رونویسی به سرعت پیشرفت نماید. محصول چندروزه، پردازش نشده یا به صورت جزئی پردازش شده، pre-mRNA نام دارد، هنگامی که پردازش کامل شود، محصول، mature mRNA نامیده می‌شود.

پردازش pre-mRNA یوکاریوتی

پردازش mRNA در یوکاریوتها و باکتریها،پروکاریوتها بسیار متفاوت است. mRNA پروکاریوتی در برابر رونویسی بالغ می‌شود و هیچ پردازشی نیاز ندارد، به جز در مواردی اندک. pre-mRNA یوکاریوتی نیازمند پردازش گسترده‌ای است.

ضمیمه کپ ۵

ضمیمه کپ ۵' (همچنین اصطلاحات RNA cap، RNA 7-methylguanosine cap یا RNA m7G cap) یک نوکلئوتید گوانین تغییریافته‌است که به «جلو» یا 5'end یک RNA پیام‌رسان یوکاریوتی، کمی پس از شروع رونویسی اضافه می‌شود. کپ ۵َ شامل یک پایانه ۷-متیل‌گوانوزین است که توسط یک پیوند ۵َ-۵َ-تری‌فسفات به اولین نوکلئوتید ترجمه شده متصل می‌شود. حضور آن برای شناسایی توسط ریبوزوم و محافظت از RNases حیاتی است.
ضمیمه کلاهک با رونویسی همراه می‌شود و رونویسی همکارانه ایجاد می‌شود به‌طوری‌که هرکدام روی دیگری تأثیر می‌گذارد. کمی پس از شروع رونویسی، 5' end مربوط به mRNA که در حال سنتز شدن است توسط یک کمپلکس سنتزکننده کلاهک که در ارتباط با آران‌ای پلی‌مراز است، محدود می‌شود. این کمپلکس آنزیمی، واکنش‌های شیمیایی را که برای mRNA کپینگ لازم است کاتالیز می‌کند. سنتز به عنوان یک واکنش چند مرحله‌ای بیوشیمیایی به پیش می‌رود.

اسپلایسینگ

اسپلایسینگ فرایندی است که در آن pre-mRNA تغییر می‌یابد تا امتدادهای خاصی از رشته‌های کد نشده که اینترون نامیده می‌شوند را حذف کند. امتدادهایی که باقی می‌مانند شامل رشته‌های کدشده پروتئینی هستند و اگزون نامیده می‌شوند. گاهی اوقات پیام‌های pre-mRNA ممکن است که به چندین روش مختلف اسپلایس شوند که سبب می‌شود تا یک ژن چندین پروتئین را رمز کند. این فرایند، اسپلایسینگ جایگزین نامیده می‌شود. اسپلایسینگ، معمولاً توسط یک کمپلکس پروتئین-RNA که اسپلایس‌سام نامیده می‌شود انجام می‌شود اما بعضی از مولکول‌های RNA نیز توانایی کاتالیز اسپلایسینگ خود را دارند. (به ریبوزیم مراجعه کنید)

ویرایش کردن

در بعضی موارد، یک mRNA که می‌خواهد ویرایش شود، ترکیب نوکلئوتیدی آن mRNA تغییر می‌یابد. یک مثال در انسان‌ها apolipoprotein B mRNAمی‌باشد که در بعضی از بافت‌ها ویرایش می‌شود اما در بقیه نمی‌شود. ویرایش، یک کودون توقف زودرس ایجاد می‌کند که در هنگام ترجمه، یک پروتئین کوتاه‌تر تولید می‌کند.

پلی آدنیلاسیون

پلی آدنیلاسیون پیوند شیمیایی یک نیمه پلی‌آدنیلیک با یک مولکول RNA پیام‌رسان می‌باشد. در ارگانیسم‌های یوکاریوتی، بیشتر مولکول‌های RNA پیام‌رسان (mRNA)، در 3'end پلی‌آدنیلیزه هستند. دنباله پلی(آ) (poly(A) tail) و پروتئینی که به آن باند می‌شود، mRNA را از ازهم‌پاشیدگی به‌وسیله اگزونوکلئاز محافظت می‌کند. پلی آدنیلاسیون همچنین برای اتمام رونویسی، خارج کردن mRNA از هسته و ترجمه کردن مهم می‌باشد. mRNA همچنین می‌تواند در ارگانیسم‌های پروکاریوتی پلی‌آدنیلیزه شود، جایی که دنباله پلی (آ)ها (poly(A) tail) فعالیت کرده تا ازهم‌پاشیدگی اگزونوکلئولیتیک را مهیا کند به جای آن‌که مانع آن شود.
پلی آدنیلاسیون، در مدت‌زمان و همچنین بلافاصله پس از رونویسی DNA در RNA رخ می‌دهد. پس از آن‌که رونویسی به اتمام رسید، زنجیره mRNA در حین فعالیت کمپلکس اندونوکلئاز که همراه با RNA-پلیمراز است، شکسته می‌شود. پس از آن‌که mRNA شکسته شد، در حدود ۲۵۰ اسیدآمینه آدنین به 3'end آزاد در محل شکستن اضافه می‌شوند. این واکنش به وسیله پلیمراز پلی‌آدنیلیزه کاتالیز می‌شود. همانند اسپلایسینگ جایگزین، بیش از یکی از انواع پلی آدنیلاسیون یک mRNA می‌تواند موجود باشد.

انتقال

تفاوت دیگر مابین یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها در انتقال mRNA می‌باشد، چون‌که رونویسی و ترجمه یوکاریوتی از همدیگر جدا می‌باشند، mRNAهای یوکاریوتی باید از هسته به سیتوپلاسم خارج شوند. mRNAهای بالغ به‌وسیله تغییرات پردازش‌شده‌شان شناسایی می‌شوند و سپس از طریق روزنه هسته خارج می‌شوند. در نورونها، mRNA باید از سوماً به دندریتها انتقال یابد، جایی که ترجمه محلی در پاسخ به محرک خارجی رخ می‌دهد. بسیاری از پیام‌ها توسط «زیپ‌کد»‌ها که انتقالشان را به یک مکان خاص در نظر می‌گیرند، نشانه‌گذاری می‌شوند.

ترجمه

از آن‌جایی که mRNA پروکاریوتی نیازی ندارد که پردازش شود یا انتقال پیدا کند، ترجمه توسط ریبوزومها می‌تواند سریعاً پس از پایان رونویسی آغاز شود؛ بنابراین می‌توان گفت که ترجمه پروکاریوتی با رونویسی همراه می‌شود و رونویسی همکارانه رخ می‌دهد.
mRNA یوکاریوتی که پردازش شده و به سیتوپلاسم منتقل شده‌است (به عبارت دیگر mRNA بالغ)، می‌تواند توسط ریبوزوم ترجمه شود. ترجمه ممکن است که در ریبوزومهای آزاد شناور در سیتوپلاسم رخ دهد یا مستقیماً توسط signal recognition particle در شبکهٔ درمیان‌یاخته‌ای اتفاق بیفتد؛ بنابراین برخلاف پروکاریوت‌ها، ترجمه یوکاریوتی به‌طور مستقیم با رونویسی همراه نمی‌باشد.

کپ ۵

کپ ۵َ یک نوکلئوتید گوانین تغییر یافته‌است که به «جلو» (سمت و سو) از pre-mRNA با استفاده از یک پیوند ۵َ-۵َ-فسفات اضافه شده‌است. این تغییر برای شناسایی و ضمیمه درست mRNA به ریبوزوم، حیاتی است همان‌طور که محافظت از ۵' اگزونوکلئاز مهم می‌باشد. همچنین برای فرایندهای حیاتی دیگر همچون اسپلایسینگ و انتقال مهم می‌باشد.

مناطق کدینگ

مناطق کدینگ از کودونها تشکیل شده‌است که این مناطق به وسیله ریبوزوم‌ها (در یوکاریوت‌ها معمولاً به یکی و در پروکاریوت‌ها معمولاً به چندتا) پروتئین رمزگشایی شده و ترجمه می‌شوند. مناطق کدینگ با یک کودون آغازین شروع شده و با یک کودون توقف پایان می‌یابند. به‌طور کلی کودون آغازین، سه‌تایی AUG و کودون توقف، UAA، UAG یا UGA می‌باشد. مناطق کدینگ تمایل دارند که به‌وسیلهٔ جفت‌بازهای داخلی ایجاد شوند که این مدل مانع از ازهم‌پاشیدگی می‌شود. علاوه بر این‌که کدینگ پروتئینی می‌باشند، قسمت‌هایی از مناطق کدینگ ممکن است که به عنوان رشته‌های تنظیمی در pre-mRNA به عنوان exonic splicing enhancers یا exonic splicing silencers باشند.

مناطق ترجمه نشده

مناطق ترجمه نشده (UTRs) بخش‌هایی از mRNA می‌باشند که قبل از کودون آغازین و پس از کودون توقف می‌باشند که ترجمه نشده‌اند که به ترتیب منطقه ترجمه نشده 5' (5' UTR) و منطقه ترجمه نشده 3' (3' UTR) نام‌گذاری می‌شوند. این مناطق با منطقه کدینگ رونویسی می‌شوند و بنابراین exonic می‌باشند چون در mRNA بالغ موجود می‌باشند. چندین نقش در بیان ژن مربوط به مناطق ترجمه نشده‌است، همچون پایداری mRNA، محلی نمودن mRNA و کارایی ترجمه‌ای. توانمندی یک UTR برای انجام این اعمال بستگی به رشته UTR دارد و در بین mRNAها می‌تواند متفاوت باشد.
پایداری mRNAها توسط 5' UTR یا 3'UTR بر حسب تفاوت در وابستگی برای آنزیم‌های کاهشی RNA که ریبونوکلئاز نامیده می‌شوند کنترل می‌شوند و همچنین نیز برای پروتئین‌های کمکی که می‌توانند کاهش RNA را بیشتر کرده یا از آن جلوگیری به عمل آورند.
کارایی ترجمه‌ای که گاهی اوقات شامل ممانعت کامل از ترجمه می‌باشد توسط UTRها کنترل می‌شود. پروتئین‌هایی که به ۳' یا 5' UTR متصل می‌شوند ممکن است توسط تأثیری که بر توانایی ریبوزوم در اتصال به mRNA دارند در ترجمه تأثیرگذار باشند. میکروRNAهایی که به[ 3'UTR
] نیز متصل می‌شوند ممکن است در کارایی ترجمه‌ای یا پایداری mRNA تأثیر بگذارند.
محلی‌سازی سیتوپلاسمی mRNA به عنوان عملکردی از 3' UTR در نظر گرفته می‌شود. پروتئین‌هایی که در مناطق خاصی از سلول مورد نیاز می‌باشند می‌توانند در آن‌جا ترجمه شوند، در این موارد، 3'UTR ممکن است شامل رشته‌هایی باشد که اجازه دهد تا رونویسی در این محل برای ترجمه، محلی شود.
بعضی از عناصر که در مناطق ترجمه نشده وجود دارند، هنگامی که به RNA رونویسی می‌شوند یک مشخصه‌ای با عنوان[ساختار دوم] ایجاد می‌کنند. این عناصر mRNAهای ساختاری در تنظیم mRNAها دخالت می‌کنند. بعضی چون
[SECIS element ]، اهداف پروتئین‌ها برای اتصال می‌باشند. یک کلاس از عنصر [mRNA، [riboswitches، مستقیماً به مولکول‌های کوچک متصل می‌شود، تاخوردگی آن‌ها را تغییر می‌دهد تا در مراحل رونویسی یا ترجمه تغییر ایجاد کند. در این موارد، mRNA خود را تنظیم می‌نماید.

دنباله پلی(آ)

۳'دنباله پلی(آ) یک رشته بلند از نوکلئوتیدهای [آدنین] (حدود ۲۰۰) می‌باشد که به[ 3' end ]از pre-mRNA اضافه می‌شود. این دنباله، خارج شدن از هسته و ترجمه را بیشتر کرده و mRNA را از ازهم‌پاشیدگی محافظت می‌کند.

تک ژنی در برابر پلی سیسترونیک mRNA

به مولکول mRNA تک ژنی گفته می‌شود هنگامی که دارای اطلاعات ژنتیکی است که تنها یک پروتئین را ترجمه می‌کند که در مورد بیشتر mRNAهای یوکاریوتی می‌باشد. به عبارت دیگر، پلی سیسترونیک mRNA، اطلاعات چندین ژن را حمل می‌کند که به چندین پروتئین ترجمه می‌شود.

حلقوی شدن mRNA

در یوکاریوت‌ها مولکول‌های mRNA برحسب تعامل مابین cap binding complex و poly(A)-binding protein تشکیل ساختارهای حلقه‌ای می‌دهند. حلقوی شدن سبب پیشرفت در بازسازی ریبوزوم‌ها بر روی یک پیام می‌شود که به ترجمه کارایی منجر می‌شود.

ازهم‌پاشیدگی

mRNAهای متفاوت درون یک سلول، دوره زندگی (پایداری) متفاوتی دارند. در سلول‌های باکتریایی، هر یک از mRNAها از چند ثانیه تا بیش از یک ساعت می‌توانند زندگی نمایند، در سلول‌های پستانداران، دوره زندگی mRNAها از چند دقیقه تا چند روز متغیر است. پایداری بیشتر mRNA سبب تولید پروتئین‌های بیشتر از آن mRNA می‌شود. دوره زندگی محدود mRNA یک سلول را قادر می‌کند تا به سرعت در پاسخ به نیازمندی‌های در حال تغییر، سنتز پروتئین را تغییر دهد. مکانیسم‌های زیادی وجود دارند که به نابود نمودن یک mRNA منجر می‌شود، تعدادی از آن‌ها در زیر بیان می‌شوند.

ازهم‌پاشیدگی mRNAهای پروکاریوتی

ه طور کلی دوره زندگی در mRNAها کوتاه‌تر از یوکاریوت‌ها است. پروکاریوت‌ها پیام‌ها را با استفاده از ترکیبی از ریبونوکلئازها که شامل اندونوکلئازها، ۳َ اگزونوکلئاز و ۵َ اگزونوکلئاز می‌باشد، از بین می‌برند. در بعضی موارد، مولکول‌های کوچک mRNA یا همان[sRNA]ها که به طول ده‌ها تا صدها نوکلئوتید می‌باشد توسط جفت شدن بازها با رشته‌های مکمل می‌تواند موجب ازهم‌پاشیدگی mRNAهای خاصی شود و شکسته شدن ریبونوکلئاز را فراهم نمایند. اخیراً نشان داده شده‌است که باکتری‌ها گونه‌ای از[ کپ۵'] را دارند که یک تری‌فسفات روی[5' end]دارد. حذف دو فسفات، یک ۵َمونوفسفات بر جا می‌گذارد که سبب می‌شود تا[اندونوکلئاز] RNase E پیام را نابود کند.

تجدید mRNAهای یوکاریوتی

درون سلول‌های یوکاریوتی، تعادلی بین فرایندهای[ ترجمه] و خرابی mRNA وجود دارد. پیام‌هایی که در حال ترجمه شدن هستند توسط[ریبوزوم]ها،[فاکتورهای آغازین یوکاریوتی]:[eIF-4E] و[eIF-4G ]و[پروتئین پلی(آ)-بایندینگ] گرفتار می‌شوند. eIF-4E و eIF-4G آنزیم دیکپینگ ([DCP2]) را بلاک می‌کنند و پروتئین پلی (آ)-بایندینگ،[exosome complex ] را که انتهای پیام را محافظت می‌کند، بلاک می‌کند.
تعادل مابین ترجمه و خراب شدن در اندازه و فراوانی ساختارهای سیتوپلاسمی با عنوان[P-bodies ] نمود پیدا می‌کند.[دنباله پلی(آ)] از mRNA توسط اگزونوکلئاز خاصی که توسط ترکیبی از رشته‌های تنظیمی سیس بر روی RNA و پروتئین‌های ترانس مقید شده به RNA (trans-acting RNA-binding proteins) به RNAهای پیام‌رسان خاصی هدف‌گیری می‌شوند، کوتاه می‌شود. حذف دنباله پلی (آ) در نظر گرفته می‌شود که ساختار حلقوی پیام را از بین می‌برد و[cap binding complex ] را بی‌ثبات می‌نماید.
پیام سپس با[exosome complex ] و یا[decapping complex ] به ازهم‌پاشیدگی مربوط می‌شود. با این روش، پیام‌های ترجمه‌ای غیرفعال می‌توانند به سرعت نابود شوند، درحالی که پیام‌های فعال، سالم می‌مانند. مکانیسمی که با آن ترجمه توقف می‌یابد و پیامی که کمپلکس‌ها را از بین می‌برد به‌طور کامل شناخته نشده‌است.

ازبین رفتن عنصر AU-rich

حضور عناصر AU-rich در تعدادی از mRNAهای پستانداران سبب می‌شود تا رونوشت‌هایی که در خلال فعالیت پروتئین‌های سلولی متصل به این رشته‌ها است بی‌ثبات شوند و حذف نمودن دنباله پلی (آ) را سبب شود. نبود دنباله پلی (آ) سبب پیشرفت ازهم‌پاشیدگی mRNA توسط حمله کردن هر دوی[exosome complex ] و[decapping complex ] می‌شود. ازهم‌پاشیدگی سریع توسط عناصر AU-rich، یک مکانیسم حیاتی برای جلوگیری از تولید اضافی سیتوکین‌های قوی همچون فاکتور فساد تومور (tumor necrosis factor(TNF)) و فاکتور تحریک گرانولوسیت‌ ماکروفاژ کولونی (granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF)) می‌باشد. عناصر AU-rich همچنین بیوسنتز فاکتورهای رونویسی پروتو-انکوژنیک (proto-oncogenic transcription factors) همچون[c-Jun] و[c-Fos ]را تنظیم می‌نمایند.

فروپاشی واسطه بی‌معنی

پیام‌های یوکاریوتی توسط فروپاشی واسطه بی‌معنی (NMD) نظارت می‌شوند که برای وقوع کودون‌های توقف نابالغ (کودون‌های بی‌معنی) در پیام بررسی می‌شوند. این‌ها می‌توانند از طریق اسپلایسینگ کامل نشده به وجود آیند:[ V(D)J recombination] در[ adaptive immune system]، جهش در DNA، خطاهای رونویسی،[ leaky scanning ]توسط ریبوزوم که سبب یک frame shift می‌شود و علت‌های دیگر. یافتن کودون توقف نابالغ سبب ازهم‌پاشیدگی mRNA به وسیله ۵' دیکپینگ، حذف دنباله ۳َ پلی (آ) و یا[ endonucleolytic cleavage ]می‌شود.

RNAهای کوچک مداخله‌کننده

درmetazoans، RNAهای کوچک مداخله‌کننده ((small interfering RNAs (siRNAs) که توسط[ Dicer] پردازش شده‌اند در کمپلکسی با عنوان کمپلکس خاموشی ناشی از ((RNA-induced silencing complex (RISC) جاگرفته‌اند. این کمپلکس دارای یک اندونوکلئاز می‌باشد که به‌طور کامل، پیام‌های مکمل را که siRNAها به آن‌ها متصل می‌شوند را می‌شکافد. سپس بخش‌های mRNA حاصل، به وسیله اگزونوکلئاز نابود می‌شوند. siRNAها به‌طور معمول در آزمایشگاه‌ها برای مسدود کردن عملکرد ژن‌ها در کشت سلول‌ها به کار می‌روند و همچنین به عنوان بخشی از سیستم ایمنی درونی به عنوان یک دفاع در برابر ویروس‌های RNA دو رشته‌ای در نظر گرفته می‌شوند.

میکروRNA

میکروRNAها RNAهای کوچکی هستند که به‌طور جزئی مکمل رشته‌های در RNAهای پیام‌رسان متازون (metazoan messenger RNAs) هستند. اتصال یک miRNA به یک پیام می‌تواند ترجمه آن پیام را ازبین ببرد و حذف دنباله پلی (آ) را سرعت بخشد و بدین وسیله ازهم‌پاشیدگی mRNA را سرعت ببخشد. مکانیسم فعالیت miRNAها موضوع تحقیقات فعال می‌باشد.

مکانیسم‌های دیگر فروپاشی (Other decay mechanisms)

راه‌های دیگری نیز برای ازبین رفتن پیام‌ها وجود دارد که شامل فروپاشی بدون توقف (non-stop decay)، خاموشی توسط Piwi-interacting RNA (piRNA) و همچنین راه‌های دیگر وجود دارند.