Информациска РНК

Информациската РНК (информациска рибонуклеинска киселина, иРНК) опфаќа голема фамилија на РНК молекули кои служат за пренос на генетски информации од ДНК до рибозомот, каде тие ја специфицираат аминокиселинската низа на белковините кои се синтетизираат и кои се производ на генската експресија. Информациската РНК е синтетизирана од ензимот РНК-полимераза во тек на процесот на транскрипција, при што најпрво се создава т.н. примарен транскрипт (познат и како пре-иРНК), кој потоа подлежи на преработка за да ја даде зрелата иРНК. Само зрелата иРНК може потоа да биде вклучена во процесот на транслација, каде ќе биде користена како шаблон за синтеза на аминокиселински полимер, т.е. белковина.
Како и кај ДНК, генетската информација кај иРНК е запишана во низата на нуклеотидите, кои се поредени во кодони, кои се состојат од три последователни азотни бази. Секој кодон кодира за одредена аминокиселина, освен стоп-кодоните кои ја терминираат (завршуваат) синтезата на белковината. Овој процес на транслација (превод) на кодоните во аминокиселини вклучува уште два други типа на РНК молекули: транспортна РНК (тРНК), која е носител на соодветните аминокиселини и препознавач на кодоните на иРНК преку своите антикодони, и рибозомната РНК (рРНК) која е главната структурна и функционална компонента на рибозомот.
Постоењето на иРНК за првпат било предложено од Жак Моно и Франсоа Жакоб, а потоа била откриена од Жакоб, Сидни Бренер и Метју Меселсон, при Калифорнискиот технолошки институт во 1961 година.
1 Синтеза, преработка и функција
Информациската РНК е молекула со краток век, која, по синтезата на белковината која го кодира, брзо бива разградена. Во текот на своето кратко постоење, таа може да подлегне на преработка, уредување и транспорт пред да се искористи за транслација. Кај еукариотските клетки, иРНК подлегнува на екстензивна преработка и транспорт, што е отсутно кај прокариотските клетки. Исто така, кај еукариотите иРНК не се среќава како „гола“ молекула, туку секогаш е врзана за разни белковини, со кои заедно гради т.н. информациски рибонуклеобелковина (РНБ).
1.1 Транскрипција
Во текот на транскрипцијата, РНК-полимеразата синтетизира иРНК молекула користејќи ја ДНК како шаблон. Процесот се одвива на сличен начин и кај прокариотите и кај еукариотите. Една забележителна разлика е асоцијацијата на еукариотската РНК-полимераза со ензими кои ја преработуваат насцентната иРНК. Непреработената или делумно преработената иРНК се нарекува претходничка иРНК или пре-иРНК, и таа е со краток век, бидејќи веднаш станува супстрат на ензимите кои ја преработуваат за да ја претворат во т.н. зрела РНК.
1.2 Преработка на пре-иРНК кај еукариотите
Кај бактериите и археите, иРНК веднаш по транскрипцијата е зрела, и за неа не е потребна преработка, освен во ретки случаи. За разлика од нив, кај еукариотите таа подлежи на екстензивна преработка, која вклучува неколку последователни промени на молекулата: додавање на 5’ капа, 3’ полиаденилација и сплајсинг.
1.2.1 Додавање на 5’ капа
Пет-прим (5’) капата (наречена и РНК капа, РНК 7-метилгванозинска капа или РНК m<sup>7</sup>G капа) претставува изменет гванозински нуклеотид кој се додава на 5’ крајот на еукариотската иРНК, кратко време по отпочнувањето на транскрипцијата. 5’ капата се состои од терминален 7-метилгванозински остаток, кој е врзан преку невообичаена 5’-5’-трифосфатна врска за првиот транскрибиран нуклеотид. Нејзиното присуство е критично за препознавање од страна на рибозомот, а служи и за заштита од рибонуклеазите (РНази).
Набрзо по отпочнувањето на транскрипцијата, по додавањето на првите 20-30 нуклеотиди, 5’ крајот на иРНК молекулата која се синтетизира се врзува за комплексот за синтетизирање на капа, кој е асоциран со РНК-полимеразата. Овој ензимски комплекс ги катализира хемиските реакции кои резултираат со формирањето на 5’ капата.
1.2.2 Уредување
Во некои случаи, иРНК може да биде уредена така што ѝ се менува нуклеотидниот состав. Пример кај човекот е иРНК за аполипобелковина Б, која во некои ткива подлежи на уредување, а во други ткива не подлежи. Со уредувањето се создава ран стоп кодон, кој, при транслацијата, создава пократка белковина.
1.2.3 Полиаденилација
Полиаденилацијата претставува ковалентно врзување на полиаденилилна група за иРНК. Кај еукариотите, повеќето иРНК молекули се полиаденилираат на 3’ крајот, но поновите истражувања покажале дека кратки вериги на уридин (олигоуридин) исто така можат да бидат додадени. Полиаденилилната опашка и белковината која се врзува за неа служат за заштита на иРНК од разградување од егзонуклеазите. Полиаденилацијата, исто така, е значајна за терминација на транскрипцијата, за транспортот на иРНК од јадрото во цитоплазмата и за транслацијата. Полиаденилацијата може да се одвива и кај прокариотските организми, но кај нив полиаденилилните опашки служат за да се сигнализира разградување, а не заштита, на иРНК од страна на егзонуклеазите.
Процесот на полиаденилација се одвива во тек или веднаш по транскрипцијата на ДНК во иРНК. По терминацијата на транскрипцијата, ендонуклеазниот комплекс асоциран со РНК-полимеразата ја сече иРНК веригата. По сечењето на иРНК, околу 250 аденозински остатоци се додаваат на слободниот 3’ крај на пресеченото место. Оваа реакција е катализирана од полиаденилат полимеразата. Исто како кај алтернативниот сплајсинг, може да постојат повеќе полиаденилациони варијанти на иРНК.
Понекогаш може да се јават мутации на местото каде треба да се изврши полиаденилација. Примарниот РНК транскрипт на генот подлегнува на сечење на местото каде ќе биде извршена полиаденилацијата. Доколку ова место е променето поради мутација, се синтетизира ненормално долга и нестабилна иРНК молекула, која е непогодна за транслација.
1.2.4 РНК сплајсинг
РНК сплајсингот е процес при кој интроните, региони на иРНК кои не кодираат за белковини, се отстрануваат од пре-иРНК, а останатите региони, кои кодираат за белковини и се нарекуваат егзони, повторно се врзуваат за да дадат како производ единствена, континуирана иРНК верига. Во најголем број на случаи, сплајсингот се одвива по целосната синтеза и капирањето на пре-иРНК, но постојат исклучоци, кога процесот се одвива паралелно со транскрипцијата. Процесот го катализира голем белковински комплекс наречен сплајсозом, кој се состои од повеќе белковини и мали јадрени РНК молекули, кои ги препознаваат местата за слајсинг во низата на пре-иРНК. Многу пре-иРНК молекули, вклучувајќи ги и оние кои кодираат за антитела, можат да бидат сплајсирани на неколку различни начини, за да дадат како производи зрели иРНК молекули со различни низи, кои кодираат различни белковини. Овој процес е познат како алтернативен сплајсинг, и го овозможува создавањето на голем вариетет на белковини кои се кодираат од ограничена количина на ДНК.
1.3 Сообраќај
Друга разлика меѓу прокариотите и еукариотите е транспортот на иРНК. Бидејќи, кај еукариотите, транскрипцијата и транслацијата се просторно одделени во клетката, нивната иРНК прво мора да се изнесе од клеточното јадро во цитоплазмата. Зрелите иРНК се препознатливи по нивните модификации, што им помага да бидат изнесени од јадрото низ јадрената пора, со врзување за капа-врзувачките белковини CBP20 и CBP80, како и за транскрипционо/експортен комплекс (TREX). Кај еукариотите, идентификувани се повеќе патишта за изнесување на иРНК од јадрото.
1.4 Транслација
Кај прокариотите, иРНК не подлегнува на преработка и транспорт, па затоа нејзината транслација од рибозом може да почне веднаш по завршетокот на транскрипцијата. Затоа се вели дека прокариотската транслација се одвива ко-транскрипционо.
Кај еукариотите, само оние иРНК кои подлегнале на преработка и транспорт во цитоплазмата (т.н. зрели иРНК) можат да бидат транслатирани од рибозоми. Транслацијата може да се одвива на рибозоми кои пливаат слободно во цитоплазмата, или на рибозоми кои се наоѓаат на ендоплазматскиот ретикулум.
2 Структура
2.1 Кодирачки региони
Кодирачките региони се составени од кодони, кои се декодираат и се транслатираат (преведуваат) во аминокиселинска низа од страна на рибозомот. Тие започнуваат со старт кодонот и завршуваат со некој од стоп кодоните. Најчесто старт кодонот е AUG, додека стоп кодоните се UAA, UAG или UGA. Кодирачките региони најчесто се стабилизирани со внатрешно базно спарување, што спречува разградување на иРНК. Покрај тоа што кодираат за белковини, делови од кодирачките региони можат да бидат регулаторни низи кај пре-иРНК, како на пример, поттикнувачи за сплајсинг на егзони или инхибитори за сплајсинг на егзони.
2.2 Нетранслатирани региони
Тие се делови од иРНК пред старт кодонот и после стоп кодонот, кои не се транслатираат во аминокиселинска низа; а се именувани како 5’ нетранслатиран регион и 3’ нетранслатиран регион, соодветно. Овие региони се транскрибираат заедно со кодирачкиот регион, па затоа се егзони по природа, бидејќи се присутни во зрелата иРНК. На овие региони се припишуваат неколку улоги во генската експресија, вклучувајќи ја стабилизацијата на иРНК, локализацијата на иРНК и ефикасноста на транслацијата. Способноста на нетранслатираниот регион да ги врши овие функции зависи од неговата низа, која може да се разликува од една до друга иРНК.
Стабилноста на иРНК може да биде контролирана од 5’ и/или 3’ нетранслатираниот регион, како резултат на варијабилен афинитет кон рибонуклеазите и кон помошните белковини, кои можат да поттикнат или да инхибираат разградување на иРНК.
Ефикасноста на транслацијата, вклучувајќи ја понекогаш потполната инхибиција на транслацијата, може да биде контролирана од некодирачките региони. Одредени белковини кои се врзуваат или за 3’ или за 5’ некодирачкиот регион можат да влијаат на транслацијата преку промена на рибозомското врзување за иРНК. МикроРНК молекулите кои се врзуваат за 3’ некодирачкиот регион, исто така, можат да влијаат на транслационата ефикасност или на стабилноста на иРНК.
Се смета дека цитоплазматската локализација на иРНК е функција на 3’ некодирачкиот регион. Белковините кои се потребни на одредено место во клетката можат да бидат транслатирани таму; во такви случаи 3’ некодирачкиот регион може да содржи низи кои ѝ овозможуваат на иРНК да се локализира на тоа одредено место за транслација.
Некои од елементите содржани во нетранслатираните региони можат да формираат карактеристична вторична структура која игра улога во регулацијата на иРНК. Некои структури, како SECIS елементот, се цели за врзување на одредени белковини. Друг тип на структура, познат како рибосвич (анг. riboswitch), директно врзува мали молекули, што може да делува модифицирачки на процесите на транскрипција и транслација. Во овој случај, иРНК молекулата самата себе се регулира.
2.3 Поли(А) опашка
Таа е долга низа од аденински нуклеотиди (стотина) која се додава на 3’ крајот на пре-иРНК. Оваа „опашка“ поттикнува изнесување на иРНК од јадрото и нејзина транслација, а исто така ја штити и од разградување.
2.4 Моноцистронска и полицистронска иРНК
Доколку иРНК молекулата содржи генетска информација за транслација на само еден полипептид, за неа се вели дека е моноцистронска. Вакви се повеќето еукариотски иРНК молекули. За разлика од моноцистронската, полицистронската иРНК носи повеќе отворени рамки за читање (анг. open reading frames, ORFs), од кои секоја се транслатира во посебен полипептид. Овие полипептиди обично вршат слични функции (тие често се подединици на комплексна белоквина) и нивната кодирачка низа е групирана и регулирана заедно во регулаторниот регион кој содржи промотер и оператор. Повеќето бактериски и архејски иРНК молекули се полицистронски, а полицистронски е и геномот на митохондриите.
2.5 Циркуларизација на иРНК
Кај еукариотите, иРНК молекулите формираат циркуларни (кружни) структури, поради интеракција помеѓу eIF4E (анг. eukaryotic translation factor 4E) и поли(А)-врзувачката белковина, кои и двата се врзуваат за eIF4G (анг. eukaryotic translation factor 4G), со што се формира иРНК-белковина-иРНК мост. Циркуларизацијата се смета дека поттикнува кружно движење на рибозомите долж иРНК, со што се скратува времето потребно за транслација, а исто така може да служи за да се осигура транслација само на интактните иРНК молекули (делумно разградените иРНК немаат m<sup>7</sup>G капа или немаат поли(А) опашка).
Постојат и други механизми за циркуларизација на иРНК, посебно кај вирусните иРНК. иРНК на полиовирусот користи дел во форма на детелина, во близина на 5’ крајот, за да врзе PCBP2, кој го врзува поли(А)-врзувачката белковина, со што се создава познатиот иРНК-белковина-иРНК круг. иРНК на BYDV вирусот (анг. barley yellow dwarf virus) ги врзува своите 3’ и 5’ краеви со помош на интеракцијата „бакнувачки петелки“, со што успева да се циркуларизира без употреба на белковини.
3 Разградување
Различни иРНК молекули во клетката имаат различен животен век (стабилност). Кај бактериите, поединечни иРНК молекули можат да опстојуваат од неколку секунди до повеќе од еден час; во клетките на цицачите, животниот век на иРНК молекулите може да биде од неколку минути до неколку дена. Што е поголема стабилноста на одредена иРНК молекула толку повеќе белковински молекули можат да се продуцираат од таа иРНК. Ограниченото времетраење на иРНК ѝ овозможува на клетката брзо да ја смени синтезата на белковината како одговор на разни промени. Постојат повеќе механизми кои водат до разградување на иРНК.
3.1 Разградување на иРНК кај прокариотите
Општо гледано, животниот век на иРНК кај прокариотите е пократок од оној кај еукариотите. Прокариотите ги разградуваат иРНК молекулите користејќи комбинација на повеќе рибонуклеази, како што се ендонуклеази, 3’ егзонуклеази и 5’ егзонуклеази. Во некои случаи, мали РНК молекули, долги околу 10-100 нуклеотиди, можат да ја стимулираат деградацијата на специфични иРНК молекули, по пат на базно спарување со комплементарни низи, што го олеснува раскинувањето на молекулата од страна на рибонуклеаза III. Скоро беше докажано дека бактериите исто така поседуваат некој облик на 5’ капа, која се состои од трифосфат врзан за 5’ крајот. Отстранувањето на два фосфата остава еден 5’ монофосфат, што доведува до уништување на молекулата од егзонуклеазата РНаза Ј, која ја разградува во насока 5’ кон 3’.
3.2 Разградување на иРНК кај еукариотите
Во еукариотските клетки постои рамнотежа меѓу процесите на транслација и разградување на иРНК. Рибозомите, еукариотските фактори на иницијација eIF4E и eIF4G и поли(А)-врзувачката белковина се врзани за оние иРНК кои активно се транслатираат. Белковините eIF4E и eIF4G го блокираат ензимот кој врши отстранување на капата (DCP2), а поли(А)-врзувачката белковина го блокира ексозомскиот комплекс, со што се заштитуваат краевите на молекулата. Балансот помеѓу транслацијата и деградацијата на иРНК се отсликува во големината и застапеноста на цитоплазматски структури познати како П-тела. Поли(А) опашката на иРНК се скратува од специјализирани егзонуклеази, кои се насочуваат кон одредени иРНК со комбинација на cis-регулаторни низи на иРНК и trans-делувачки РНК-врзувачки белковини. Отстранувањето на поли(А) опашката се верува дека ја пореметува кружната структура на иРНК и го дестабилизира кап-врзувачкиот комплекс. Потоа, иРНК станува цел на деградација или на ексозомскиот комплекс или на комплексот кој ја отстранува капата. На овој начин, транслационо-неактивните иРНК бргу се уништуваат, додека активните остануваат интактни.
3.3 Разградување на AU-богатите елементи
Присуството на AU-богатите елементи кај некои иРНК молекули, во клетките на цицачите, може да ги дестабилизира тие иРНК молекули преку дејството на разни белковини кои се врзуваат за овие низи и стимулираат отстранување на поли(А) опашката. Губитокот на поли(А) опашката се смета дека поттикнува разградување на иРНК на тој начин што го олеснува нападот на молекулата од страна на ексозомскиот комплекс и комплексот за отстранување на капата. Брзото разградување на иРНК со AU-богатите елементи претставува критичен механизам за спречување на прекумерна продукција на потентни цитокини во клетката.
3.4 Разградување посредувано од системот за идентификација на нонсенс кодони (nonsense mediated decay)
Еукариотските иРНК молекули се предмет на контрола од страна на посебен систем за откривање на прерани стоп кодони (нонсенс кодони), кој скратено се наведува како NMD (од анг. nonsense mediated decay). Прераните стоп кодони може да се појават како резултат на нецелосен сплајсинг, мутации во ДНК, грешки при транскрипција итн. Детекцијата на преран стоп кодон од NMD поттикнува разградување на иРНК преку отстранување на 5’ капата, отстранување на 3’ поли(А) опашката или разградување од ендонуклеази.
3.5 Разградување со кратки интерферирачки РНК (киРНК)
Кај животинските организми, постојат посебен тип на РНК молекули, наречени кратки интерферирачки РНК (киРНК), кои биваат инкорпорирани во ензимски комплекс познат како RISC (анг. RNA-induced silencing complex). Овој комплекс содржи ендонуклеаза која ги сече низите на иРНК кои се потполно комплементарни на киРНК и кои ја врзуваат. Резултирачките иРНК фрагменти, потоа биваат уништени од егзонуклеази. Исто така, се смета дека киРНК е составен дел на вроден имунолошки систем на клетката, кој штити од напад на двоверижни РНК вируси.
3.6 Разградување со микроРНК (миРНК)
МикроРНК (миРНК) молекулите се мали РНК молекули кои се среќаваат во животинските клетки и обично делумно се комплементарни на одредени низи на иРНК молекулите. Врзувањето на миРНК за иРНК ја стопира транслацијата и го забрзува отстранувањето на поли(А) опашката, со што се поттикнува целосното разградување на таа иРНК молекула.
3.7 Други механизми на разградување
Постојат и други начини на кои иРНК молекулите можат да се разградат, вклучувајќи го нон-стоп механизмот на разградување (анг. non-stop decay) и разградувањето со помош на РНК молекулите кои стапуваат во интеракција со piwi белковините (анг. piwi-interacting RNA, piRNA).
4 Поврзано
*Транскриптом, збир на сите РНК молекули во клетката