RNA degradatsioon

RNA degradatsioon on protsess, mille käigus valmis RNA-d lagundatakse, see on oluline nii RNA modifitseerimisel kui ka molekulide eemaldamisel, mida enam ei vajata. Elusrakus esinev RNA jaguneb stabiilseks ja ebastabiilseks. Suurema osa rakus leiduvast RNA-st (umbes 98%) moodustab stabiilne RNA, mille hulka kuulub transport-RNA ehk tRNA ja ribosomaalne RNA ehk rRNA. Need kaks on olulised komponendid translatsiooni toimumisel. Ebastabiilse RNA hulka kuulub sõnumi-RNA ehk mRNA. mRNA funktsiooniks rakus on kodeerida ribosoomi jaoks valgujärjestusi. mRNA-d nimetatakse ka käskjalaks, kuna ta vahetab informatsiooni ribosoomi ja geenide vahel. mRNA ebastabiilsus lubab valgusünteesil kohanduda muutustele transkriptsioonis. Seega võib öelda, et mRNA ebastabiilsus on oluline geenide ekspresseerumisel. Stabiilsete RNA-de algsed transkriptid töödeldakse: lõigatakse väiksemaks ning seejärel modifitseeritakse posttranskriptsiooniliselt. Nii saadakse valmissaadused. RNaaside toimel eemaldatakse need osad, mis ei kuulu valmissaadusse. Degradatsioonil saadud nukleotiide saab kasutada uuesti RNA sünteesil. RNA degradatsioon on oluline raku jaoks sobiva RNA hulga määramisel. RNA degradatsioon pole juhuslik protsess, vaid see on rangelt kontrollitud mitmesuguste ensüümidega. Ribonukleaasid on võtmerollis geenide ekspresseerumisel. RNaasid on jagatud kahte põhigruppi: endonukleaasid ja eksoribonukleaasid. Ribonukleaasid on ensüümid, mis lõhuvad fosfodiestersideme RNA ahelas. Ribonukleaasid jagunevad kaheks: endoribonukleaasid ja eksoribonukleaasid. Endoribonukleaasid eemaldavad nukleotiide seesmiselt. Eksoribonukleaasid eemaldavad nukleotiide RNA ahela otstest. Eksoribonukleaasid jagunevad kaheks: 5’-3’ eksoribonukleaasid, mis eemaldavad nukleotiide 5'-st otsast, ja 3’-5’ eksoribonukleaasid, mis eemaldavad nukleotiide 3’-st otsast. Lisaks jagunevad eksoribonukleaasid distributiivseteks ja protsessiivseteks. Distributiivsed ribonukleaasid vabastavad RNA substraadi pärast igat katalüütilist sammu ja peavad seejärel uuesti RNA-le seonduma. Protsessiivsed ribonukleaasid aga jäävad substraadiga seotuks ja kordavad katalüüsi mitmeid kordi. RNA degradatsiooni kiirusel on oluline roll RNA hulga määramisel. Olenevalt kasvutingimustest on soolekepikeses mRNA-de pooleluiga 2–8 minutit. Stabiilsete RNA-de eluiga võib ulatuda tundidest isegi kuudeni. Degradatiivsed ensüümid osalevad nii RNA töötlemisel kui ka valmimisel. Seega peavad need ensüümid hakkama saama erinevate substraatidega ja rollidega. Enamik RNaase on suutelised töötama ühe RNA kallal mitmekesi koos. Näiteks RNaas II, mis on seotud mRNA degradatsiooniga, on samuti võimeline osalema tRNA valmimisel. Eksoribonukleaasid võivad kasutada vett, et katkestada side nukleotiidide vahel (hüdrolüütiline aktiivsus) või anorgaanilist fosfaati (fosforolüütiline aktiivsus). Fosforolüütilised ensüümid vabastavad nukleosiid-difosfaate ja hüdrolüütilised ensüümid nukleotiid-monofosfaate. RNA degradatsiooni mehhanism on dünaamiline ja seega võimeline vastama keskkonnamuutustele. Eksoribonukleaaside hulgad varieeruvad erinevates stressitingimustes. Eksoribonukleaasid esinevad nii arhedel, bakteritel kui ka eukarüootidel. Bakteriaalseid RNaase on kõige rohkem uuritud Escherichia coli-l, kellel on avastatud umbes 20 erinevat RNaas-d. E. coli-l on kaheksa 3’-5’ eksoribonukleaasi, mis on seotud mitmete RNA metabolismiradadega, kuid ainult neli neist ilmutavad RNA degradatiivset aktiivsust: polünukleotiidfosforülaas (PNPaas), ribonukleaas II (Rnaas II), ribonukleaas R (RNaas R) ja oligoribonukleaas. PNPaasi avastasid 1995. aastal Severo Ochoa ja Marianne Grunberg-Manago ning neli aastat hiljem pälvisid nad selle eest ka Nobeli auhinna. PNPaas kuulub PDX eksoribonukleaaside perekonda ning osaleb mRNA lagundamisel. Seda ensüümi kodeerib pnp geen, mis algab UUG tripletiga ja mida transkribeeritakse kahelt promootorilt. pnp ekspressiooni reguleerivad posttranskriptsioonilisel tasemel PNPaas ja RNaas II. PNPaas katalüüsib nukleosiiddifosfaatide vabastamist RNA 3’ otsast. Madalal anorgaanilise fosfaadi kontsentratsioonil katalüüsib ensüüm aga vastupidist reaktsiooni, milleks on üksikahelaliste RNA-de nukleosiiddifosfaatide polümerisatsioon. PNPaas võib-olla koondunud multiensüümsesse kompleksi, mis võimaldab ensüümil lagundada ulatuslikult struktureeritud RNA-d. PNPaas on seotud ka geenide ekspressiooniga, mis on vajalik toimetulekuks erinevates keskkonnatingimustes. RNaas II ekspressioon on reguleeritud nii transkriptsioonilisel kui ka post-transkriptsioonilisel tasemel. rnb geeni transkribeeritakse kahelt promootorilt (P1 ja P2). Mõlemad promootorid on aktiivsed eksponentsiaalses faasis, kuid erineval määral. Transkriptsioon termineerub Rho-sõltumatul terminaatoril, mis asub stoppkoodonist 10 nukleotiidi allpool. RNaas II on üksikahelaline järjestusest sõltumatu 3’ eksoribonukleaas, mis osaleb mRNA degradatsiooni lõpp-staadiumis. RNaas II lagundab RNA-d 3’-5’ suunas, tootes 5’ nukleosiid-monofosfaate. Kui substraat on lühem kui 12 nukleotiidi, siis ensüüm muutub distributiivseks. RNaas II lemmiksubstraadiks on homopolümeer polü (A) ja see võib degradeerida ka polüadenüleeritud lõike, mis on vajalikud teistele eksoribonukleaasidele in vivo. Nii kaitseb RNaas II mõnda RNA-d lagundamise eest, takistades teiste eksoribonukleaaside ligipääsu. On näidatud, et RNaas II puudumisel on mRNA hulk E. coli-s langenud, mis viitab selle ensüümi tähtsale rollile mRNA kaitsmises (eemaldades polü (A) saba). RNaas R on rnr geeni saadus ja kuulub RNaas II eksoribonukleaaside perekonda. RNaas R on üleekspresseeritud külmašoki korral. RNaas R ekspressioon on reguleeritud post-transkriptsioonilisel tasemel koos teiste RNaasidega. See ensüüm on oluline RNA metabolismis. RNaas R töötleb väga efektiivselt struktureeritud RNA-d.. Samuti on ta tähtsal kohal RNA kvaliteedi kontrollimises ning mitmete RNA substraatide töötlemisel ja degradeerimisel. RNaas R käitub kui monomeer ja vajab oma tööks magneesiumi ioone. RNaas R on 3’-5’ suunaline eksoribonukleaas, mis hüdrolüütilise mehhanismi abil vabastab nukleotiidmonofosfaate. Erinevalt RNaas II-st, mille lõpp-saadusteks on vahepealsed fragmendid, on RNaas R lõppsaaduseks dinukleotiiid. Rnaas R on ensüüm, mis tegeleb rRNA lagundamisega. RNaas R üheks omapäraks on tema ebaharilik efektiivsus sekundaarse struktuuriga RNA molekulidega töötamisel ilma helikaasi abita. Erinevalt RNaas II-st ja PNPaas-st seondub RNaas R tugevalt RNA-le ja ei vabane lähenedes kaksikahelalisele RNA regioonile, jätkates efektiivselt oma tööd . PNPaasi, RNaas II ja RNaas R-i tegevuse tulemusel saadud lõppsaadused mõjutavad oluliselt raku elujõulisust, kuna need ensüümid vabastavad 25 nukleotiidi pikkusi RNA fragmente, mille kogunemine rakku võib olla kahjulik. 1976. aastal avastati ensüüm, mis degradeerib lühikesi RNA fragmente. See ensüüm nimetati oligoribonukleaasiks, kuna see hüdrolüüsib lühikesi oligoribonukleotiidi ahelaid. Oligoribonukleaas kuulub DEDD eksoribonukleaaside perekonda. Oligoribonukleaasi kodeerib orn geen. Kõikides E.colis teadaolevates eksoribonukleaasi geenides on see eksoribonukleaas vajalik raku ellu jäämiseks. Endoribonukleaasid lõikavad nii üksikahelalist RNA-d kui ka kaksikahelalist RNA-d. Üks olulisemaid endonukleaase on ribonukleaas E, mis lõikab üksikahelalist RNA-d ja kuulub multiensüümsesesse kompleksi, mida nimetatakse degradosoomiks. Ribonukleaas E on oluline mRNA degradatsioonil ja tRNA ja rRNA töötlemisel. Ribonukleaas P ja ribonukleaas Z on tuntud selle poolest, et nad osalevad tRNA valmissaaduse moodustamisel. Ribonukleaas P on unikaalne selle poolest, et ta on ribosüüm ehk ribonukleiinhape, mis käitub kui ensüüm. Progress in Molecular Biology and Translational Science Zuo Y, Deutscher MP. (2001) Exoribonuclease superfamilies: structural analysis and phylogenetic distribution. Nucleic Acids Res. 1; 29(5): 1017–1026 Yehudai-Resheff S, Hirsh M, Schuster G (2001) Polynucleotide phosphorylase functions as both an exonuclease and a poly(A) polymerase in spinach chloroplasts. Mol Cell Biol. Rita Zilhao,Jacqueline Plumbridge, Eliane Hajnsdorf, Philippe Regnier and Cecllia M. Arraiano. Microbiology (1996) "Escherichia coli RNase II : characterization of the promoters involved in the transcription of rnb" Vincent HA, Deutscher MP. (2009). "Insights into how RNase R degrades structured RNA: analysis of the nuclease domain" Sandip Ghosh, Murray P. Deutscher. (1999). "Oligoribonuclease is an essential component of the mRNA decay pathway" Mackie GA. Nature (1998). "Ribonuclease E is a 5'-end-dependent endonuclease." Guerrier-Takada C, Gardiner K, Marsh T, Pace N, Altman S (1983). "The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme"