МРНК

Шаблон:Заголовок со строчной буквы

Файл:MRNA cycle.jpg

Основные этапы жизненного цикла мРНК эукариот

Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК) — РНК, отвечающая за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.

Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+)оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех.

Гипотеза о значении РНК в синтезе белков была высказана Торбьёрном Касперссоном (Torbjörn Caspersson) на основе исследований 1937—1939 гг., в результате которых было показано, что клетки, активно синтезирующие белок, содержат большое количество РНК. Подтверждение гипотезы было получено Юбером Шантренне (Hubert Chantrenne).

«Жизненный цикл» мРНК

Жизненный цикл молекулы мРНК начинается транскрипцией и завершается деградацией. Молекула мРНК в течение своей жизни может быть также обработана и «отредактирована» перед трансляцией. Эукариотические молекулы мРНК часто требуют сложной обработки и транспортировки, в то время как прокариотические молекулы мРНК этого не требуют.

Транскрипция

Шаблон:Main Транскрипцией называют процесс копирования генетической информации с ДНК на мРНК. Он осуществляется ферментом РНК-полимеразой, «расплетающей» двойную спираль ДНК и строящей, согласно принципу комплементарности, копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Этот процесс как у эукариот, так и у прокариот организован одинаково. Основное различие между про- и эукариотами состоит в том, что у эукариот РНК-полимераза во время транскрипции ассоциируется с мРНК-обрабатывающими ферментами, поэтому у них обработка мРНК и транскрипция могут проходить одновременно. Короткоживущие необработанные или частично обработанные продукты транскрипции называются пред-мРНК; после полной обработки — зрелая мРНК.

Обработка эукариотической пред-мРНК

Шаблон:Main В то время как мРНК прокариот (бактерий и архей), за редкими исключениями, сразу готовы к трансляции и не требуют специальной обработки, эукариотические пред-мРНК требуют более интенсивной обработки. В процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются интроны, на 5' конец добавляется кэп, на 3' конец добавляется полиадениновый хвост.

Сплайсинг

Шаблон:Main

Файл:Pre-mRNA to mRNA.png

Схема сплайсинга, в процессе которого пре-РНК редактируется в зрелую РНК. Зелёный - нетранслируемые участки (UnTranslated Regions, UTR), синий - интроны, красный - транслируемые (кодирующие белок) участки.

Сплайсинг — это процесс, в котором из мРНК удаляются участки некодирующей белок последовательности, называемые интронами; последовательности, которые остаются, включают в себя кодирующие белки нуклеотиды, и называются экзонами. Иногда пред-мРНК могут быть соединены разными способами, позволяя одному гену кодировать несколько белков. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом. Сплайсинг обычно производится РНК-белковым комплексом, который называется сплайсосома, но некоторые молекулы мРНК также могут катализировать сплайсинг (см. рибозимы).

Транспорт

Другое различие между эукариотами и прокариотами — транспорт мРНК. Из-за того, что эукариотические транскрипция и трансляция пространственно разделены, эукариотические мРНК должны быть выведены из ядра в цитоплазму. Зрелые мРНК распознаются по наличию модификаций и покидают ядро через ядерные поры, в цитоплазме мРНК образует нуклеопротеидные комплексы - информосомы, в составе которых транспортируется к рибосомам.

Трансляция

Шаблон:Main Поскольку прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция рибосомой может начаться немедленно после транскрипции. Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена с транскрипцией и происходит ко-транскрипционнно.

Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума. Таким образом, у эукариот трансляция не совмещена напрямую с транскрипцией.

Регуляция трансляции

Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции. У эукариот из-за необходимости в редактировании и транспорте мРНК ответ на внешние стимулы занимает больше времени. Поэтому их синтез белка интенсивно регулируется на посттранскрипционном уровне. Не всякая зрелая мРНК транслируется, поскольку в клетке существуют механизмы регуляции экспрессии белков на пост-транскрипционном уровне, например, РНК-интерференция.

Разрушение

По прошествии некоторого времени, определяемого её нуклеотидной последовательностью, в частности, длиной полиаденинового участка на 3' конце молекулы, мРНК разрушается на составляющие её нуклеотиды с участием РНКаз. Как правило, разрушение начинается с удаления кэпа на 5' конце, полиаденинового хвоста на 3' конце и затем нуклеазы одновременно разрушают мРНК в 5' ->3' и 3' ->5' направлении. мРНК, в которой сигнал завершения синтеза белка, стоп-кодон, в результате ошибки транскрипции находится в середине кодирующей последовательности, подвержена особой быстрой форме деградации, НМД, (nonsense-mediated decay).

Строение зрелой мРНК

Файл:Mature human mRNA.svg

Схема строения зрелой мРНК человека

Зрелая мРНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: «5' кэп», 5' нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3' нетранслируемая область и 3' полиадениновый «хвост».

5' Кэп

5' кэп (или кап) (от Шаблон:Lang-en — шапочка) — это модифицированный гуанидиновый нуклеотид, который добавляется на 5' (передний) конец незрелой мРНК. Эта модификация очень важна для узнавания мРНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5’нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищенным 5'-концом.

Кодирующие области

Кодирующие области состоят из кодонов — следующих непосредственно друг за другом последовательностей из трех нуклеотидов, каждая из которых соответствует в генетическом коде определенной аминокислоте или началу и концу синтеза белка. Кодирующие области начинаются со старт-кодона и заканчиваются одним из трёх стоп-кодонов. Считывание последовательности кодонов и сборка на ее основе последовательности аминокислот синтезируемой молекулы белка осуществляется рибосомами при участии транспортных РНК в процессе трансляции. В дополнение к кодированию белков, части кодирующих областей могут служить управляющими последовательностями. Например, вторичная структура РНК в некоторых случаях определяет результат трансляции.

Моноцистронная и полицистронная мРНК

мРНК называют моноцистронной, если она содержит информацию, необходимую для трансляции только одного белка (один цистрон). Полицистронная мРНК кодирует несколько белков. Гены (цистроны) в такой мРНК разделены интергенными, некодирующими последовательностями. Полицистронные мРНК характерны для прокариот и вирусов, у эукариот большая часть мРНК является моноцистронной.

Нетранслируемые области

Нетранслируемые области — участки РНК, расположенные до старт-кодона и после стоп-кодона, которые не кодируют белок. Они называются 5'-нетранслируемая область и 3'-нетранслируемая область, соответственно. Эти области транскрибируются в составе того же самого транскрипта, что и кодирующий участок. Нетранслируемые области имеют несколько функций в жизненном цикле мРНК, включая регуляцию стабильности мРНК, локализации мРНК и эффективности трансляции. Стабильность мРНК может контролироваться 5'- и/или 3'-областью из-за различной чувствительности к ферментам, которые отвечают за деградацию РНК — РНКазам и регуляторным белкам, которые убыстряют или замедляют деградацию.

3' полиадениновый хвост

Длинная (часто несколько сотен нуклеотидов) последовательность адениновых оснований, которая присутствует на 3' «хвосте» мРНК эукариот, синтезируется ферментом полиаденилат-полимеразой. У высших эукариот поли-А-хвост добавляется к транскрибированной РНК, которая содержит специфическую последовательность, AAUAAA. Важность этой последовательности можно увидеть на примере мутации в гене человеческого 2-глобина, которая изменяет AAUAAA на AAUAAG, что приводит к недостаточному количеству глобина в организме.

Вторичная структура

Файл:Stem-loop.svg

«Стебель-петля» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

Файл:Pseudoknot.svg

«Псевдоузел» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

‎

Кроме первичной структуры (последовательности нуклеотидов), мРНК обладает вторичной структурой. В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).

Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел.

Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина зависит от стебля-петли, расположенной в 3' нетранслированной области. Псевдоузлы служат для программированого изменения рамки считывания генов.

В вирусных мРНК сложные вторичные структуры (IRES) направляют трансляцию, не зависящую от узнавания кэпа и факторов инициации трансляции (см. «Инициация трансляции»).

См. также

• Генетический код
• Вирус
• Полисома

Литература

• Козлов, Н. Н., Кугушев, Е. И., Сабитов, Д. И., Энеев, Т. М. «Компьютерный анализ процессов структурообразования нуклеиновых кислот» [1]

• Higgs DR, Goodbourn SE, Lamb J, Clegg JB, Weatherall DJ, Proudfoot NJ. (1983). «α-thalassaemia caused by a polyadenylation signal mutation». Nature 306 (5941): 398—400.

• Kozak, M. (March 1983). «Comparison of initiation of protein synthesis in procaryotes, eucaryotes, and organelles.» (PDF). Microbiological Reviews 47 (1): 1-45.

• Shaw, G. and Kamen, R. «A conserved AU sequence from the 3' untranslated region of GM-CSF mRNA mediates selective mRNA degradation.» Cell. 1986 Aug 29;46(5):659-67.

Cсылки

• Жизненный цикл мРНК Флэш анимация
• База данных модификаций РНК [2] Шаблон:Ref-en
• База данных старт- и стоп-кодонов, нетранслируемых последовательносей [3] Шаблон:Ref-en
• Сайт, содержащий список программ по предсказанию свойств молекул РНК [4] Шаблон:Ref-en