Что представляет собой РНК-интерференция? Под данным термином подразумевают систему контроля активности генов эукариотических клеток. Происходит подобный процесс благодаря коротким (не более 25 нуклеотидов в цепи) молекулам рибонуклеиновой кислоты.
РНК-интерференция характеризуется посттранскрипционным угнетением экспрессии генов посредством разрушения либо деаденилювання мРНК.
Значимость
Она была обнаружена в клетках многих эукариот: грибов, растений, животных.
РНК-интерференция считается важным способом защиты от вирусов клетки. Она принимает участие в процессе эмбриогенеза.
Благодаря мощному и выборочному характеру влияния рибонуклеиновой кислоты на экспрессию генов, можно проводить серьезные биологические исследования в живых организмах, культурах клеток.
Ранее РНК-интерференция имела иное название – косупрессия. После детального изучения подобного процесса, получения Эндрю Фаером и Крейгом Мело Нобелевской премии в области медицины за изучение механизма ее протекания, данный процесс был переименован.
История
Что собой представляет РНК-интерференция? Открытие ее обязано серьезному предварительному наблюдению под воздействием антисмыслового РНК-угнетения экспрессии у генов растений.
Спустя некоторое время американскими учеными были получены удивительные результаты при введении в петунию трансгенов. Исследователи попробовали модифицировать анализируемое растение так, чтобы придать цветам более насыщенный оттенок. Для этого ими были введены в клетки дополнительные копии гена фермента халконсинтазы, который отвечает за формирование фиолетового пигмента.
Но результаты проведенного исследования оказались абсолютно непредсказуемыми. Вместо желаемого потемнения окраски венчика петунии, цветы этого растения стали белыми. Снижение активности фермента халконсинтазы было названо косупресией.
Важные моменты
Последующими экспериментами выявили влияние на такой процесс пост-транскрипционного угнетения экспрессии гена из-за увеличения уровня деградации мРНК.
В тот временной промежуток было известно, что те растения, что экспрессируют специальные белки, нечувствительны к инфицированию вирусом. Экспериментально установлено, что получение подобной устойчивости достигается при введении в ген растения короткой некодирующей последовательностью вирусной РНК.
РНК-интерференция, механизм которой до сих пор не до конца изучен, назвали «вирус-индуцированным подавлением экспрессии генов».
Сумму таких явлений биологи стали именовать пост-транскрипционным угнетением экспрессии генов.
Эндрю Фаеру и его коллегам удалось доказать связь между подобным явлением и введение совокупности смысловой РНК и антисмысловой, образующих двухцепную РНК. Именно она была признана основной причиной появления описываемого процесса.
Особенности молекулярных механизмов
Белок Дайсер Giardia intestinalis катализируется разрезанием двухцепной РНК с получением небольших интерферирующих фрагментов РНК. У домена РНК азы зеленая окраска, у PAZ-домена желтый цвет, а связующая спираль имеет синий оттенок.
Применение РНК-интерференции основывается на экзогенном и эндогенном пути.
Первый механизм базируется на геноме вируса либо является следствием лабораторных экспериментов. Происходит разрезание в цитоплазме таких РНК на небольшие фрагменты. Второй вид формируется при экспрессии индивидуальных генов живого организма, к примеру, пре-микро РНК. Он предполагает создание специфических структур стебель-петли внутри ядра, образующих мРНК, взаимодействующих с RISC-комплексом.
Небольшие интерферирующие РНК
Они представляют собой цепочки, состоящие из 20-25 нуклеотидов, имеющих на концах нуклеотидные выступления. У каждой цепочки есть гидроксильный кусок на 3'-конце и фосфатная группа на 5'-части. Образуется структура такого вида в результате воздействия фермента Дайсер на РНК, содержащих шпильки. После расщепления фрагменты оказываются в составе каталитического комплекса. Белок аргонавт постепенно расплетает дуплекс РНК, что способствует оставлению в RISC только одной «направляющей» цепи. Она позволяет эффекторному комплексу отыскивать специфическую мРНК-мишень. При присоединении siRNA-RISC комплекса происходит деградация мРНК.
Такие молекулы гибридизируются одним типом мРНК-мишени, что приводит к расщеплению молекулы.
мРНК
РНК-интерференция и защита растений – взаимосвязанные процессы.
мРНК состоит из 21-22 соединенных последовательно нуклеотидов эндогенного происхождения, которые участвуют в процессе индивидуального развития организмов. Ее гены транскрибируются, образуя длинные первичные транскрипты транскриптов pri-miRNA. Эти структуры имеют вид стебля-петли, длина их состоит из 70 нуклеотидов. В их составе присутствует фермент с активностью РНК азы, а также белок, способный связывать двухцепную РНК. Далее осуществляется транспортировка в цитоплазму, где образующаяся РНК становится субстратом для фермента Дайсер. Возможно протекание процессинга разными путями, в зависимости от вида клетки.
Именно так протекает РНК-интерференция. Применение процесса до сих пор изучено не в полном объеме.
Например, удалось установить возможность протекания иного пути процессинга мРНК, который не зависит от Дайсер. В таком случае происходит разрезание молекулы белком аргонавтом. Отличие между miRNA и siRNA заключается в способности ингибирования трансляции с несколькими разными мРНК, которые содержат аналогичные последовательности аминокислотных звеньев.
Эффекторный комплекс RISC
РНК-интерференция, биологические функции которой позволяют решать множество вопросов, связанных с белковым комплексом, обеспечивающим при интерференции расщепление мРНК. RISC-комплекс способствует разделению АТФ на несколько фрагментов.
С помощью рентгеноструктурного анализа было определено, что посредством такого комплекса процесс существенно ускоряется. Его каталитической частью считаются белки аргонавты, которые локализуются в определенных местах цитоплазмы. Такие Р-тельца представляют собой участки со значительными уровнями деградации РНК, именно в них выявлена наибольшая активность мРНК. Разрушение таких комплексов сопровождается снижением эффективности процесса РНК-интерференции.
Способы подавления транскрипции
Помимо действия на уровне угнетения трансляции, РНК также оказывает воздействие и на транскрипцию генов. Часть эукариот применяют такой путь для обеспечения стабильности структуры генома. Благодаря модификации гистонов можно снизить на определенном участке экспрессию генов, так как происходит переход такого куска в вид гетерохроматина.
РНК-интерференция и ее биологическая роль – это важный вопрос, заслуживающий серьезного изучения и анализа. Для проведения исследования рассматривают те участки цепи, которые отвечают за тип спаривания.
Например, для дрожжей подавление транскрипции осуществляется именно RISC-комплексом, который содержит фрагмент Chp1 с хромодоменом, аргонавтом, а также белок, обладающий неизвестной функцией Tas3.
Чтобы протекала индукция образования участков гетерохроматина, требуется фермент Дайсер, РНК-полимераза. Деление таких генов приводит к нарушению метилирования гистонов, приводит к замедлению деления клетки, либо полной остановке этого процесса.
Редактирование РНК
Самой распространенной формой данного процесса в высших эукариот считается процесс превращения в инозин аденозина, протекающий в двойной цепочке РНК. Для осуществления подобного превращения используется фермент аденозиндезаминаза.
В начале двадцать первого века была выдвинута гипотеза, согласно которой, механизм РНК-интерференции и редактирования молекулы были признаны конкурентными процессами. Исследования, проведенные для млекопитающих, свидетельствуют о том, что редактирование РНК способно предотвращать подавление трансгенов.
Отличия между организмами
Оно заключается в способности воспринимать инородные РНК, применять их в ходе интерференции. Для растений такой эффект является системным. Даже в случае незначительного введения РНК происходит угнетение во всем организме определенного гена. При таком действии РНК-сигнал передается между остальными клетками. В его амплификации принимает участие РНК-полимераза.
Между организмами существует отличие по применению чужеродных генов в процессе РНК-интерференции.
У растений процесс транспорта siRNA происходит по плазмодесмам. Наследование таких РНК-эффектов обеспечивается метилированием промоторов определенных генов.
Основным отличием такого механизма у растений является идеальность у них комплементарности мРНК, что в совокупности с RISC-комплексом способствует полной деградации этой молекулы.
Биологические функции
Рассматриваемая система является важным компонентом иммунного ответа на инородные материалы. К примеру, у растений есть несколько аналогов белка Дайсер, использующихся для борьбы с многочисленными вирусными организмами.
РНК можно считать механизмом противовирусной защиты, приобретаемой растениями, запускающимся по всему организму.
Несмотря на то, что в животных клетках экспрессируется значительно меньше белка Дайсер, и в них можно вести речь об участии РНК в антивирусном ответе.
В настоящее время иммунные реакции, протекающие в организме человека и животных, изучены частично.
Биологи продолжают исследования, пытаются не только обосновать механизмы их протекания, но и найти способы воздействия на иммунные взаимодействия. В случае успешного объяснения всех нюансов РНК-интерференции, у ученых появится возможность управлять данными биохимическими реакциями, создавать механизмы защиты от чужеродных тел.
