RNA korrektuur

RNA korrektuur ehk RNA redigeerimine (ka RNA editeerimine) on molekulaarne protsess, milles muudetakse mRNA nukleotiidset järjestust juba sünteesitud mRNA-molekulis. Molekulaarbioloogia põhidogma kohaselt ei muutu geneetilise informatsiooni ülekande vaheetappidel (DNA-st RNA-ks) geneetiline informatsioon. Erandjuhtumitel võib see aga siiski toimuda. Üheks selliseks näiteks on RNA korrektuur . RNA korrektuuri on täheldatud eukarüootide tRNA-, rRNA-, mRNA- ja miRNA-molekulides. Lisaks ka taimedes, arhedes, viirustes ja prokarüootides. RNA korrektuur toimub raku tuumas, aga ka tsütosoolis, mitokondrites ja plastiidides. Selgroogsetes on redigeerimine haruldane, tavaliselt toimub vastavates molekulides mõni väike muutus. Teistes organismides võib aset leida laialdasem redigeerimine. RNA korrektuur on üpriski haruldane ja mitmekülgne protsess. RNA redigeerimine hõlmab N-aluste struktuuri muutusi: tsütidiinist (C) uridiiniks (U) ja adenosiinist (A) inosiiniks (I). RNA redigeerimise alla kuuluvad ka insertsioon ning deletsioon. Loomadel ei ole leitud tõendeid RNA insertsioonist või deletsioonist. U-nukleotiidide lisamine või kõrvaldamine mRNA-molekulidest on kompleksne protsess, mida teostavad teatud mitokondraalsetest geenidest sünteesitavad madalmolekulaarsed giid-RNA-d (gRNA). Giid-RNA-d sisaldavad järjestusi, mis on vaid osaliselt homoloogsed korrigeeritava pre-mRNA- järjestusega. Giid-RNA ja korrigeeritava pre-mRNA paardumine põhjustab mRNA-s tühikute ja giid-RNA-s mittepaardunud A-nukleotiidide moodustumist. RNA korrigeerimisel kasutatakse gRNA-d matriitsina A-aluste vastu U-lämmastikaluste lisamisel mRNA tühikutesse. Tekkinud kaksikahel on ümbritsetud editosoomiga. See on suur multiproteiinkompleks, mis katalüüsib redigeerimist. Editosoom avab transkripti esimesest valesti paardunud nukleotiidist ja alustab uridiini inserteerimisega. Inserteerunud nukleotiid põhjustab raaminihet, mille tõttu transleeritakse valk, mis erineb normaalsest sama geeni pealt toodetud valgust. Mitte paardunud U-nukleotiidid eemaldab U-spetsiifiline eksoribonukleaas. Tulemuseks on muudetud ehk redigeeritud RNA. Sellist protsessi on kirjeldatud näiteks Leishmania tarentolae mitokondrites. Trypanosoma brucei mitokondrite kinetoplastides on avastatud uratsiili (U) deletsioon. RNA korrigeerimisel on roll ka trüpanosoomide ja taimede mitokondriaalsete geenide avaldumisel. Protsessi käigus seondub RNA-ga järjestikuspetsiifiline valk, mis kõrvaldab tsütosiinist aminogrupi. Nimetatud protsess toimub näiteks CAA- (glutamiini-) koodonis, mis muudetakse tsütosiini deamiinimisel transkriptsiooni terminatsioonikoodoniks UAA. mRNA redigeerimisel on geeni avaldumisele regulatiivne toime. Selline protsess toimub inimese apolipoproteiini geenis apoB. Apolipoproteiinid on valgud, mis transpordivad rasvamolekule. ApoB kodeerib kahte alternatiivset seerumivalku: apoB-100, mida ekspresseerivad maksarakud, ja apoB 48, mida ekspresseerib sooleepiteel. Maksas kodeeritakse terviklikku apolipoproteiini (4563-aminohappelist polüpeptiidi), sooleepiteelis aga poole lühemat valku (2153-aminohappelist polüpeptiidi). C → U konversioon positsioonis 6666 põhjustab CAA glutamiinikoodoni asendamise UAA stoppkoodoniga, sellest ka lühem valk. Konversiooni viib läbi APOBEC1 deaminaas. Sama tüüpi N-aluste konversiooni on näidatud ka rottide ajurakkudes glutamaadi retseptorvalgu puhul. Taimede mõnedes mitokondriaalse DNA määratud transkriptides muudetakse aga lausa enamik C-sid U-deks. A → I konversioon on põhiline RNA korrektuuri vorm imetajates ja see toimub kaheahelalise RNA (dsRNA) regioonides. Adenosiini deaminaasid (ADAR) on RNA korrektuuris osalevad ensüümid, mis viivad läbi hüdrolüütilisse deaminatsiooni adenosiinist (A) inosiiniks (I). A → I konversioon võib olla spetsiifiline, kus üksainus adenosiin redigeeritakse dsRNA-s, või juhuslik: kuni 50% adenosiine redigeeritakse. Inosiin loob aluspaari pigem tsütosiini kui tümiiniga. CAG koodon (kodeerib glutamiini) asendatakse CIG koodoniga (kodeerib arginiini). Seda tüüpi konversioon kutsub serotoniini retseptorgeenis HTR2C esile splaissimise saidis esile alternatiivse splaissingu. Sellist konversiooni on täheldatud Wilmsi tuumori transkrpiti 6 eksoni geenis. On avastatud, et ainuke RNA korrektuuri protsess taimede mitokondrites ja plastiidides on C→U konversioon. RNA redigeerimise saite on leitud mRNA kodeerivates regioonides, intronites ja teistes mitte-transleerivates regioonides. RNA redigeerimise tagajärjel võib taastuda tRNA molekulide funktsionaalsus. Täpne mehhanism on teadmata, aga uuringute põhjal spekuleeritakse giid-RNA ja editosoomi kompleksi osalust. Idee toetub tõsiasjale, et taimedes on liiga palju redigeerimise saite, mis vajavad muutmist deaminaasi osalusel organellides. Editosoomi kompleks saab seonduda ainult ühe giid-RNA-ga korraga. Seetõttu RNA-transkript, mis vajab laialdasemat redigeerimist, vajab rohkem kui ühte giid-RNA-d ja editosoomi kompleksi. RNA korrektuur on vajalik taimedes normaalseteks translatsiooni ja respiratsiooni protsessideks. Eedigeerimisel taastatakse tRNA järjestuse aluspaarid, see taastab omakorda tRNA funktsionaalsuse. On tõenäoline, et redugeerimata RNA-st sünteesitud polüpeptiid ei funktsioneeriks korrektselt ja takistaks mitokondrite ja plastiidide aktiivsust. RNA redigeerimise eesmärgiks viirustes on stabiilsuse säilitamine ja erinevate proteiini variantide genereerimine. RNA polümeraas lisab kuni mõnisada A-nukleotiidi sünteesitud mRNA 3’ otsa. Need nukleotiidid aitavad mRNA-d stabliseerida. Lisatud nukleotiidid tekitavad raaminihet, mille tõttu sünteesitasitakse teistsugune valk. Loomades toimuv RNA redigeerimine võib olla arenenud mononukleotiidsest deamineerimisest. See on juhtinud korrektuuri suuremate geeniperekondade juurde, näiteks APOBEC-1 ja ADAR-geenide juurde. Need geenid on sarnased bakterite deaminaaside geenidega. Deaminaasid on seotud bakterites nukleotiidide metabolismiga. E. coli adenosiini deaminaas ei suuda deamineerida nukleosiidi RNA-s; ensüümi tasku on liiga väike, et RNA ahelaga seostuda. See aktiivne sait on laieneb aminohappeliste muutuste tõttu vastavates inimese geeni analoogides: APOBEC-1 ja ADAR. Tänu sellele saab inimesel toimuda deamineerimine. On leitud ka, et nukleotiidide insertsiooni spetsiifilisus interaktsioonil giid-RNA ja mRNA vahel on sarnane tRNA redigeerimise protsessile loomades ja Acanthamoeba mitokondris. Arvatakse, et RNA redigeerimine on tekkinud rohkem kui ühe korra. Redigeerimist on tihti kirjeldatud kui korrektuurilist mehhanismi või parandust, et kompenseerida defekte geenide järjestustes. See aga ei saa olla juhtunud giid-RNA-ga seotud redigeerimise juures. Defekti ilmnemine enne redigeerimist ei anna võimalust luua vigadeta giid-RNA-d kodeerivat regiooni. Selline regioon tekib oletatavasti originaalgeeni lõigu duplikatsioonil. See juhatab teadlasi konstruktiivse evolutsiooniteooriani. Selles on etapid vahetunud, et redigeerimine saaks toimuda enne "defekti". Hiljutise uurimuse eesmärgiks oli näha RNA redigeerimise seotust RNA degradatsioonil. Keskenduti ADAR-1 ja hUpf1 interaktsioonidele. Mõlemad ensüümid osalevad nonsense-mediated mRNA kontrollrajas. Selle kontrollraja põhiline funktsioon on vähendada vigu geeni ekspressioonil. Selleks elimineerib see mRNA transkripte, mis sisaldavad enneaegseid stopp-koodoneid. Teadlased avastasid, et ADAR-1 ja hUpf1 on supersplaissosoomi koostises ja moodustavad kompleksi, mis supresseerib spetsiifilisi geene. Heinaru 2012: Geneetika õpik kõrgkoolile rts, G.J. and Benne, R. (1996). "Mechanism and evolution of RNA editing in kinetoplastida". Biochim. Biophys. Acta 1307 (1): 39–54. doi:10.1016/0167-4781(96)00021-8. PMID 8652667. Alfonzo, J.D., Thiemann, T. and Simpson, L. (1997). "The mechanism of U insertion/deletion RNA editing in kinetoplastid mitochondria". Nucleic Acids Res. 25 (19): 3751–3759. doi:10.1093/nar/25.19.3751. PMC 146959. PMID 9380494. Benne, R. (1994). "RNA editing in trypanosomes". Eur. J. Biochem 221 (1): 9–23. doi:10.1111/j.1432-1033.1994.tb18710.x. PMID 7513284. Strachan, Read "Human molecular genetics 4th edition" Covello, P.S. and Gray, M.W. (1989). "RNA editing in plant mitochondria". Nature 341 (6243): 662–666. doi:10.1038/341662a0. PMID 2552326. Gualberto, J.M., Lamattina, L., Bonnard, G., Weil, J.H. and Grienenberger, J.M. (1989). "RNA editing in wheat mitochondria results in the conservation of protein sequences". Nature 341 (6243): 660–662. doi:10.1038/341660a0. PMID 2552325. Hiesel, R., Wissinger, B., Schuster, W. and Brennicke, A. (1989). "RNA editing in plant mitochondria". Science 246 (4937): 1632–1634. doi:10.1126/science.2480644. PMID 2480644 Hoch, B., Maier, R.M., Appel, K., Igloi, G.L. and Ko« ssel, H. (1991). "Editing of a chloroplast mRNA by creation of an initiation codon". Nature 353 (6340): 178–180. doi:10.1038/353178a0. PMID 1653905. ^ Jump up to: a b Pring, D., Brennicke, A. and Schuster, W. (1993). "RNA editing gives a new meaning to the genetic information in mitochondria and chloroplasts". Plant Mol. Biol. 21 (6): 1163–1170. doi:10.1007/BF00023611. PMID 8490134. Wissinger, B., Brennicke, A. and Schuster, W. (1992). "Regeneration good sense: RNA editing and trans splicing in plant mitochondria". Trends Genet. 8 (9): 322–328. doi:10.1016/0168-9525(92)90265-6. PMID 1365399. Grienenberger, J.M. (1993). "RNA editing in plant organelles". RNA Editing (Benne, R., Ed.), Ellis Harwood, New York. Malek, O., La«ttig, K., Hiesel, R., Brennicke, A. and Knoop, V. (1996). "RNA editing in bryophytes and a molecular phylogeny of land plants". EMBO J. 15 (6): 1403–1411. PMC 450045. PMID 8635473. Freyer, R., Kiefer-Meyer, M.C. and Ko« ssel, H. (1997). "Occurrence of plastid RNA editing in all major lineages of land plants". Proc. Natl. Acad. Sci. USA 12 (12): 6285–6296. doi:10.1073/pnas.94.12.6285. PMC 21041. PMID 9177209 Dietrich, A., Small, I., Cosset, A., Weil, J.H. and Marechal- Drouard, L. (1996). "Editing and import: Strategies for providing plant mitochondria with a complete set of functional transfer RNAs". Biochimie 75: 518–529. ock, R., Hermann, M. and Fuchs, M. (1997). "Identification of critical nucleotide positions for plastid RNA editing site recognition". RNA 3: 1194–1299. Gray, M.W. and Covello, P.S. (1993). "RNA editing in plant mitochondria and chloroplasts". FASEB J. 7 (1): 64–71. PMID 8422976. Price, D.H. and Gray, M.W. (1998). "Editing of tRNA". In: Modification and Editing of RNA (Grosjean, H. and Benne, R., Eds.) (ASM Press, Washington, DC): 289–306. Curran, J., Boeck, R. and Kolakofsky, D. (1991). "The Sendai virus P gene expresses both an essential protein and an inhibitor of RNA synthesis by shuffling modules via mRNA editing". EMBO J. 10 (10): 3079–3085. PMC 453024. PMID 1655410 Zheng, H., Fu, T.B., Lazinski, D. and Taylor, J. (1992). "Editing on the genomic RNA of human hepatitis delta virus". J. Virol. 66 (8): 4693–4697. PMC 241294. PMID 1629949 Kolakofsky, D. and Hausmann, S. (1998). "Cotranscriptional paramyxovirus mRNA editing: a contradiction in terms?". In: Modification and Editing of RNA (Grosjean, H. and Benne, R., Eds.) (ASM Press, Washington, DC): 413–420. Carter, C.W. (1998). "Nucleoside deaminases for cytidine and adenosine: comparisons with deaminases acting on RNA". In: Modification and Editing of RNA (Grosjean, H. and Benne, R., Eds.) (ASM Press, Washington, DC): 363–376. Navaratnam, N., Fujino, T., Bayliss, J., Jarmuz, A., How, A., Richardson, N., Somasekaram, A., Bhattacharya, S., Carter, C. and Scott, J. (1998). "Escherichia coli cytidine deaminase provides a molecular model for ApoB RNA editing and a mechanism for RNA substrate recognition". J. Mol. Biol. 275 (4): 695–714. doi:10.1006/jmbi.1997.1506. PMID 9466941 Lonergan, K.M. and Gray, M.W. (1993). "Predicted editing of additional transfer RNAs in Acanthamoeba castellanii mitochondria". Nucleic Acids Res. 21 (18): 4402. doi:10.1093/nar/21.18.4402. PMC 310088. PMID 8415006. Speijer, D. (March 7, 2011). "Does constructive neutral evolution play an important role in the origin of cellular complexity?: Making sense of the origins and uses of biological complexity". BioEssays 33 (5): n/a–n/a. doi:10.1002/bies.201100010. PMID 21381061 Stoltzfus, A. (1999). "On the possibility of constructive neutral evolution". J Mol Evol 49 (2): 169–181. doi:10.1007/PL00006540. PMID 10441669. Agranat, L., Raitskin, O., Sperling, J., and Sperling, R. (2008). "The Editing Enzyme ADAR1 and The mRNA Surveillance Protein hUpf1 Interact in the Cell Nucleus". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (13): 5028–5033. doi:10.1073/pnas.0710576105. PMC 2278206. PMID 18362360