Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

Мобильная версия

Регистрация Забыли пароль?

Журнал «Здоровье ребенка» Том 17, №3, 2022

Вернуться к номеру

Механізми дії цитоплазматичних мікроРНК. Частина 2. МікроРНК-опосередкований посттрансляційний сайленсинг

Механізми дії цитоплазматичних мікроРНК. Частина 2. МікроРНК-опосередкований посттрансляційний сайленсинг

Авторы: Абатуров О.Є., Бабич В.Л.
Дніпровський державний медичний університет, м. Дніпро, Україна

Рубрики: Педиатрия/Неонатология

Разделы: Справочник специалиста

Версия для печати


Резюме

У науковому огляді розглянуто механізми дії цитоплазматичних мікроРНК, а саме мікроРНК-опосередкований посттрансляційний сайленсинг. Для написання статті здійснювався пошук інформації з використанням баз даних Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Вказано, що синтез протеїнів є складним процесом, у реалізації якого беруть участь численні регулятори. Відомо, що процес трансляції складається з трьох основних етапів: ініціації, елонгації поліпептидного ланцюга й термінації. Показано, що в процесі ініціації трансляції беруть участь десятки «основних» факторів і численні аксесуарні протеїни, як регулятори, так і репресори процесу. Авторами наведена кінетична модель, запропонована Christopher S. Fraser. Згідно з цією моделлю ініціація трансляції є ранжируваним процесом. Підкреслено, що надалі відбувається взаємодія рибосоми з початком кодуючої нуклеотидної послідовності мРНК. Модифікації нуклеотидів факторами елонгації в антикодон тРНК регулюють динаміку функціонування рибосоми і цим тонко налаштовують швидкість синтезу протеїну. Автори показують, що термінація трансляції індукується взаємодією декодуючої А-ділянки рибосоми з одним з трьох стоп-кодонів (UAA, UAG або UGA) мРНК. У термінації трансляції також беруть участь фактори термінації. Основні фактори, які регулюють функціональну активність мРНК, діють на кеп і полі(А)хвіст, що захищають мРНК від дії екзонуклеази.Отже, різні протеїни оточують молекулу мРНК у клітині й підтримують існування і функціональну активність мРНК. Кожен регіон мРНК взаємодіє зі специфічним спектром РНК-зв’язуючих протеїнів. Ініціація трансляції є ранжируваним процесом. Ініціація трансляції і деградація мРНК нерозривно пов’язані одна з одною. Існує поширена думка про те, що трансляція в основному контролюється в періоді ініціації. Механізм сайленсингу, що обумовлений деградацією мРНК, залежить від розміру комплементарного регіону.

The scientific review presents the mechanisms of action of cytoplasmic miRNAs, namely miRNA-mediated posttranslational silencing. To write the article, information was searched ­using Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scho­lar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLe­ninka databases. It is stated that protein synthesis is a complex process which involved many regulators. It is known that the translation process consists of three main stages: initiation, elongation of the polypeptide chain and termination. It is presented that dozens of “basic” factors and numerous accessory proteins, both regulators and repressors of the process, take part in the translation initiation. The authors provide a kinetic model proposed by Christopher S. Fraser. According to this model, translation initiation is a ranked process. It is emphasized that subsequently the ribosome interacts with the beginning of the coding nucleotide sequence of mRNA. Modifications of nucleotides by elongation factors in the anticodon of tRNA regulate the dynamics of ribosome function and, thus, fine-tune the rate of protein synthesis. The authors state that translation termination is induced by the interaction of the decoding A-region of the ribosome with one of the three stop codons (UAA, UAG or UGA) of mRNA. “Termination factors” are also involved in the termination of translation. Scientists say that the main factors that regulate the functional activity of mRNA act on the cap and poly(A)tail, which protects mRNA from exonuclease action. Thus, various proteins surround mRNA molecule in the cell and support the existence and functional activity of mRNA. Each mRNA region interacts with a specific spectrum of RNA-binding proteins. The initiation of translation is a ranked process and is ­inextricably linked with mRNA degradation. It is widely believed that translation is largely controlled during the initiation period. The mechanism of silencing caused by mRNA degradation depends on the size of the complementary region.


Ключевые слова

мікроРНК; ініціація; трансляція; мікроРНК-опосередкований посттрансляційний сайленсинг; огляд

microRNA; miRNA; miR; initiation; translation; microRNA-mediated posttranslational silencing; review

doi: http://dx.doi.org/10.22141/2224-0551.17.3.2022.1512

Вступ

Синтез протеїнів є складним процесом, у реалізації якого беруть участь численні регулятори. Процес трансляції складається з трьох основних етапів: ініціації, елонгації поліпептидного ланцюга і термінації. 

МікроРНК-опосередкований посттрансляційний сайленсинг

Ініціація трансляції являє собою послідовні молекулярні події, які сприятимуть рекрутингу рибосомних субодиниць. У процесі ініціації трансляції беруть участь десятки «основних» факторів і численні аксесуарні протеїни, як регулятори, так і репрессори процесу [9, 14, 16, 18, 24, 30]. Характер спектра рекрутованих протеїнів забезпечується особливістю будови молекули мРНК. Умовно молекула мРНК складається з п’яти регіонів: кепа, 5’-нетрансльованого регіону (5’UTR), відкритої рамки зчитування (open reading frame — ORF), 3’UTR і 3’полі(A)-хвоста. Кеп і полі(А)хвіст високоасоційовані з процесами трансляції і деградації молекули мРНК. Усі ядерні еукаріотичні мРНК, що транскрибуються, за винятком гістонових мРНК, містять на своєму 5’-кінці структуру m7G(5’)pppN (де N — будь-який нуклеотид), що названий кепом. Кеп мРНК бере участь у рекогніції малої субодиниці рибосоми і сприяє посттранскрипційній експресії гена [25]. Хвіст мРНК ссавців складається з 200–250 нуклеотидів (аденінових залишків). Після того, як РНК транскрибується з геному, вона рекрутує різноманітні РНК-зв’язуючі протеїни (RNA binding protein — RBP), формуючи складні рибонуклеопротеїнові (RNP) комплекси. У даний час ідентифіковано близько 1500 RBP. РНК-зв’язуючі протеїни виконують роль регуляторів метаболізму РНК: вони модулюють транскрипцію, редагування, сплайсинг, поліаденілювання, транслокацію РНК. Також RBP є молекулярною платформою, на яку рекрутуються різноманітні фактори й ферменти, що модифікують своїх партнерів. За рахунок створення різних комплексів і комбінацій RBP приводять цільові РНК у відповідність з інтрацелюлярним контекстом [5, 11–13, 15, 19]. Отже, молекула мРНК у клітині знаходиться в щільному оточенні різних протеїнів, що підтримують існування й функціональну активність мРНК; і кожен регіон мРНК взаємодіє зі специфічним спектром РНК-зв’язуючих протеїнів: з кепом — eIF4E і eIF4G; з ORF — рибосоми; з 3’UTR — регуляторні фактори, з 3’полі(A)-хвостом — полі(А)-зв’язуючі протеїни (poly(A)-binding protein — PABP) (рис. 1) [10, 29, 32]. 
Згідно з кінетичною моделлю, запропонованою Christopher S. Fraser [9], ініціація трансляції є ранжируваним процесом. Першим кроком ініціації є взаємодія кепа 5’-кінця мРНК із фактором ініціації eIF4F. Показано, що комплекс eIF4F (eIF4E, eIF4A і eIF4G) має здатність специфічно зв’язуватися з кеп-структурою 5’-кінця мРНК. Рекогніція кеп-структури 5’-кінця мРНК із комплексом eIF4F забезпечується за рахунок мультисубодиниці eIF3. Другий крок ініціації трансляції характеризується зміною вторинної структури кепа, що, імовірно, обумовлено взаємодією РНК-зв’язуючих доменів eIF4G і одноланцюговою мРНК. Також тримірний кеп-зв’язуючий комплекс eIF4F взаємодіє з фактором ініціації eIF4G і РНК-гелікази eIF4A. Третій крок ініціації трансляції є процесом рекрутування комплексу eIF4F-мРНК на преініціаторний комплекс 43S (preinitiation complex — PIC) і розміщення одноланцюгової мРНК на сайті декодування субодиниці 40S. Преініціаторний комплекс 43S являє собою 40S-субодиницю, що пов’язана з такими протеїнами, як фактори ініціації трасляції eIF1, eIF1A, eIF3, eIF5 та ініціатор тРНК трійчастий комплекс eIF2-ГТФ-Met-tРНКi, які стабілізують один одного на поверхні 40S-субодиниці. Дані ініціюючі фактори, змінюючи конформацію ділянки декодування мРНК 40S-субодиниці, сприяють: 1) рекрутуванню eIF4F-мРНК на 43S PIC; 2) скануванню мРНК; і 3) визначенню ініціаційного кодону. Надалі, під час четвертого кроку, субодиниця 40S, мігруючи по напрямку від 5’ до 3’ кінця молекули, сканує 5’UTR мРНК. Комплекс PIC сканує регіон 5’UTR мРНК, використовуючи ATP-залежну геліказу eIF4A для розкручування вторинної структури молекули мРНК до місця розташування стартового кодону (зазвичай AUG) — першого кодону в кодуючій ділянці мРНК (рис. 2) [9].
У подальшому відбувається взаємодія рибосоми з початком кодуючої нуклеотидної послідовності мРНК. Стабільне зв’язування комплексу 43S PIC у ділянці стартового кодону ініціює гідроліз ГТФ і вивільнення фактора eIF. Гідроліз ГТФ сприяє рекрутуванню рибосомної субодиниці 60S, яка в подальшому з’єднується з рибосомною субодиницею 40S, утворюючи компетентну 80S рибосому, і знову утворена 80S рибосома забезпечує елонгацію поліпептидного ланцюга, чому сприяють фактори елонгації. Модифікації нуклеотидів факторами елонгації в антикодон тРНК регулюють динаміку функціонування рибосоми і цим тонко налаштовують швидкість синтезу протеїну [2, 7, 17].
Термінація трансляції індукується взаємодією декодуючої А-ділянки рибосоми з одним з трьох стоп-кодонів (UAA, UAG або UGA) мРНК. У термінації трансляції також беруть участь фактори термінації. Так, еукаріотичний фактор вивільнення 1 (eRF1) має здатність зв’язуватися з будь-яким з трьох стоп-кодонів [1, 28].
МікроРНК-опосередкований сайленсинг, що викликається в періоді ініціації трансляції
Ініціація трансляції і деградація мРНК нерозривно пов’язані одна з одною. У цитоплазмі клітини існують два основних протеїнових фактори, які опосередковують ці процеси: еукаріотичний фактор ініціації трансляції 4 E (eukaryotic initiation factor 4 E — eIF4E), який пов’язує 5’-кеп мРНК і цитоплазматический полі(А)-зв’язуючий білок (cytoplasmic poly(A)-binding protein 1 — PABPC1), що асоційований з полі(А)хвостом мРНК. Фактор eIF4E і протеїн PABPC1 разом із фактором ініціації трансляції eIF4G опосередковують формування функціонально активної структури — петлі мРНК, яка бере участь у трансляції (рис. 3) [6, 20, 31]. 
Основні фактори, що регулюють функціональну активність мРНК, діють на кеп і полі(А)хвіст, які захищають мРНК від дії екзонуклеази. Цитоплазматична (5’-3’exoribonuclease 1 — XRN1/PACMAN або XRN4) і ядерна 5’→3’екзонуклеаза (XRN2/RAT1 і XRN3) є ферментами, що розпізнають 5’-монофосфатні РНК. Активність даних ферментів блокується 5’-кепом мРНК, тому видалення кепа за допомогою декепінгового комплексу є строго контрольованим процесом [22, 26, 27].

МікроРНК-опосередкований сайленсинг, асоційований з деградацією мРНК

1. МікроРНК-опосередкований сайленсинг, асоційований з деградацією мРНК, при довгому регіоні комплементарності
Механізм сайленсингу, обумовлений деградацією мРНК, залежить від розміру комплементарного регіону. У тих випадках, коли регіон комплементарності досить широкий, мРНК-мішень розщеплюється протеїном AGO в ділянці, яка відповідає положенню 10 і 11 нуклеотидів мікроРНК. У людини каталітично активним є лише протеїн AGO2, тоді як протеїни AGO1, AGO3 і AGO4 не мають каталітичної активності [3, 21]. Даний механізм, мабуть, більш характерний для рослин, у яких мікроРНК розпізнають послідовність мРНК, що практично повністю відповідає послідовності мікроРНК [4].
2. МікроРНК-опосередкований сайленсинг, асоційований з деградацією мРНК, при короткому регіоні комплементарності
У цитоплазмі клітини у випадках короткого регіону комплементарності мікроРНК викликають посттранскрипційний сайленсинг, використовуючи три основних молекулярних механізми: 1) TNRC6-асоційований механізм; 2) рекрутинг декепінгового комплексу DCP1-DCP2; 3) порушення взаємодії мРНК з рибосомами. Рекрутинг даних протеїнів забезпечує мікроРНК-опосередковану репресію трансляції за рахунок деаденілювання (відщеплення полі(А)хвоста), декепірування (відщеплення 5’кеп) і деградації мРНК-мішені (рис. 4) [8].

Висновки

Отже, різні протеїни оточують молекулу мРНК у клітині й підтримують існування і функціональну активність мРНК. Кожен регіон мРНК взаємодіє зі специфічним спектром РНК-зв’язуючих протеїнів. Ініціація трансляції є ранжируваним процесом. Ініціація трансляції і деградація мРНК нерозривно пов’язані один з одним. Існує поширена думка про те, що трансляція в основному контролюється в періоді ініціації. Механізм сайленсингу, обумовлений деградацією мРНК, залежить від розміру комплементарного регіону.
Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.
 
Отримано/Received 31.01.2022
Рецензовано/Revised 14.02.2022
Прийнято до друку/Accepted 17.02.2022

Список литературы

  1. Alkalaeva E., Mikhailova T. Reassigning stop codons via translation termination: How a few eukaryotes broke the dogma. Bioessays. 2017 Mar. 39(3). doi: 10.1002/bies.201600213. 
  2. Andreev D.E., Dmitriev S.E., Loughran G. et al Translation control of mRNAs encoding mammalian translation initiation factors. Gene. 2018 Apr 20. 651. 174-182. doi: 10.1016/j.gene.2018.02.013.
  3. Bartel D.P. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell. 2009 Jan 23. 136(2). 215-33. doi: 10.1016/j.cell.2009.01.002.
  4. Carbonell A. Plant ARGONAUTEs: Features, Functions, and Unknowns. Methods Mol. Biol. 2017. 1640. 1-21. doi: 10.1007/978-1-4939-7165-7_1.
  5. Corley M., Burns M.C., Yeo G.W. How RNA-Binding Proteins Interact with RNA: Molecules and Mechanisms. Mol Cell. 2020 Apr 2. 78(1). 9-29. doi: 10.1016/j.molcel.2020.03.011. 
  6. Das S., Das B. eIF4G-an integrator of mRNA metabolism? FEMS Yeast Res. 2016 Nov. 16(7). pii: fow087. 
  7. Dauden M., Jaciuk М., Müller C.W., Glatt S. Structural asymmetry in the eukaryotic Elongator complex. FEBS Lett. 2018 Feb. 592(4). 502-515. doi: 10.1002/1873-3468.12865.
  8. Fabian M.R., Sonenberg N. The mechanics of miRNA-mediated gene silencing: a look under the hood of miRISC. Nat. Struct. Mol. Biol. 2012 Jun 5. 19(6). 586-93. doi: 10.1038/nsmb.2296.
  9. Fraser C.S. Quantitative studies of mRNA recruitment to the eukaryotic ribosome. Biochimie. 2015 Jul. 114:58-71. doi: 10.1016/j.biochi.2015.02.017.
  10. Fukao A., Aoyama T., Fujiwara T. The molecular mechanism of translational control via the communication between the microRNA pathway and RNA-binding proteins. RNA Biol. 2015. 12(9). 922-6. doi: 10.1080/15476286.2015.1073436.
  11. Ghidini A., Cléry A., Halloy F., Allain F.H.T., Hall J. RNA-PROTACs: Degraders of RNA-Binding Proteins. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021 Feb 8. 60(6). 3163-3169. doi: 10.1002/anie.202012330. 
  12. Hall K.B. RNA and Proteins: Mutual Respect. F1000Res. 2017 Mar 27. 6. 345. doi: 10.12688/f1000research.10572.1.
  13. Han S.P., Tang Y.H., Smith R. Functional diversity of the hnRNPs: past, present and perspectives. Biochem. J. 2010 Sep 15. 430(3). 379-92. doi: 10.1042/BJ20100396.
  14. Hao P., Yu J., Ward R., Liu Y., Hao Q., An S., Xu T. Eukaryotic translation initiation factors as promising targets in cancer therapy. Cell. Commun. Signal. 2020 Nov 4. 18(1). 175. doi: 10.1186/s12964-020-00607-9. 
  15. Harrison A.F., Shorter J. RNA-binding proteins with prion-like domains in health and disease. Biochem. J. 2017 Apr 7. 474(8). 1417-1438. doi: 10.1042/BCJ20160499.
  16. Hinnebusch A.G. Molecular mechanism of scanning and start codon selection in eukaryotes. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2011 Sep. 75(3). 434-67, first page of table of contents. doi: 10.1128/MMBR.00008-11.
  17. Hinnebusch A.G. Structural Insights into the Mechanism of Scanning and Start Codon Recognition in Eukaryotic Translation Initiation. Trends Biochem. Sci. 2017 Aug. 42(8). 589-611. doi: 10.1016/j.tibs.2017.03.004.
  18. Hinnebusch A.G. The scanning mechanism of eukaryotic translation initiation. Annu. Rev. Biochem. 2014. 83. 779-812. doi: 10.1146/annurev-biochem-060713-035802.
  19. Hong S. RNA Binding Protein as an Emerging Therapeutic Target for Cancer Prevention and Treatment. J. Cancer Prev. 2017 Dec. 22(4). 203-210. doi: 10.15430/JCP.2017.22.4.203.
  20. Huntzinger E., Izaurralde E. Gene silencing by microRNAs: contributions of translational repression and mRNA decay. Nat. Rev. Genet. 2011 Feb. 12(2). 99-110. doi: 10.1038/nrg2936.
  21. Ipsaro J.J., Joshua-Tor L. From guide to target: molecular insights into eukaryotic RNA-interference machinery. Nat. Struct. Mol. Biol. 2015 Jan. 22(1). 20-8. doi: 10.1038/nsmb.2931.
  22. Jones C.I., Zabolotskaya M.V., Newbury S.F. The 5’→3’ exoribonuclease XRN1/Pacman and its functions in cellular processes and development. Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2012 Jul-Aug. 3(4). 455-68. doi: 10.1002/wrna.1109.
  23. Loreni F., Mancino M., Biffo S. Translation factors and ribosomal proteins control tumor onset and progression: how? Oncogene. 2014 Apr 24. 33(17). 2145-56. doi: 10.1038/onc.2013.153.
  24. Merrick W.C., Pavitt G.D. Protein Synthesis Initiation in Eukaryotic Cells. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2018 Dec 3. 10(12). a033092. doi: 10.1101/cshperspect.a033092. 
  25. Mitchell S.F., Walker S.E., Algire M.A. et al The 5’-7-methylguanosine cap on eukaryotic mRNAs serves both to stimulate canonical translation initiation and to block an alternative pathway. Mol Cell. 2010 Sep 24. 39(6). 950-62. doi: 10.1016/j.molcel.2010.08.021.
  26. Nagarajan V.K., Jones C.I., Newbury S.F., Green P.J. XRN 5’→3’ exoribonucleases: structure, mechanisms and functions. Biochim. Biophys. Acta. 2013 Jun-Jul. 1829(6-7). 590-603. doi: 10.1016/j.bbagrm.2013.03.005.
  27. Pashler A.L., Towler B.P., Jones C.I., Newbury S.F. The roles of the exoribonucleases DIS3L2 and XRN1 in human disease. Biochem. Soc. Trans. 2016 Oct 15. 44(5). 1377-1384.
  28. Prabhakar A., Choi J., Wang J. et al Dynamic basis of fidelity and speed in translation: Coordinated multistep mechanisms of elongation and termination. Protein Sci. 2017 Jul. 26(7). 1352-1362. doi: 10.1002/pro.3190.
  29. Rissland O.S. The organization and regulation of mRNA-protein complexes. Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2017 Jan. 8(1). doi: 10.1002/wrna.1369.
  30. Shirokikh N.E., Preiss T. Translation initiation by cap-dependent ribosome recruitment: Recent insights and open questions. Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2018 Jul. 9(4). e1473. doi: 10.1002/wrna.1473.
  31. Stavast C.J., Erkeland S.J. The Non-Canonical Aspects of MicroRNAs: Many Roads to Gene Regulation. Cells. 2019 Nov 19. 8(11). 1465. doi: 10.3390/cells8111465. 
  32. Zealy R.W., Wrenn S.P., Davila S. et al. microRNA-binding proteins: specificity and function. Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2017 Sep. 8(5). doi: 10.1002/wrna.1414.

Вернуться к номеру