MRNA kvalitetskontroll

mRNA-kvalitetskontroll [1] ( mRNA-övervakning ) är en  uppsättning molekylära mekanismer som säkerställer avstötning av defekta mRNA och förhindrar deras translation [2] [3] . mRNA-kvalitetskontrollmekanismer fungerar i olika stadier av mRNA -biogenes . Som regel leder de till att defekta mRNA är märkta på ett specifikt sätt och på grund av detta känns de igen av nukleasenzymer som förstör dem [4] .

Mekanismerna för kvalitetskontroll av mRNA har beskrivits i bakterier och eukaryoter , och i de senare förekommer de både i kärnan och i cytoplasman [5] . Resultatet av arbetet med dessa mekanismer i kärnan är förstörelsen av defekta transkript , vilket förhindrar deras rörelse in i cytoplasman. I cytoplasman kontrolleras transkript med avseende på förekomst av prematura stoppkodon [4] [5] .

Tre mekanismer för kvalitetskontroll av mRNA har beskrivits i eukaryota celler: nonsens -medierat förfall ( NMD ), nonstop nedbrytning och no-go nedbrytning [6] .  

Nonsensmedierat förfall

Nonsens-medierad decay (NMD) syftar till att identifiera och förstöra mRNA som innehåller för tidigt stoppkodon. Förtida stoppkodon kan uppstå på grund av mutationer i könsceller och somatiska celler , fel i transkription eller post-transkriptionell mRNA - bearbetning [7] [8] . Om sådana mRNA inte förstörs, kommer trunkerade proteiner att syntetiseras från dem , vilket kan vara skadligt för cellen [9] . Tidiga stoppkodon är involverade i utvecklingen av cirka 30 % av ärftliga sjukdomar . Således spelar NMD en viktig roll i organismens liv [10] [11] .

I jästen Saccharomyces cerevisiae och nematoden Caenorhabditis elegans fungerar tre smg-proteiner (smg1-7) och tre UPF-proteiner (Upf1-3) som väsentliga transagerande NMD-faktorer [12] [13] . Motsvarande gener finns också i fruktflugan Drosophila melanogaster och i däggdjur , och deras proteinprodukter är också involverade i NMD [14] . I allmänhet har alla eukaryoter proteinkomplex involverade i NMD: UPF1/SMG-2, UPF2/SMG-3 och UPF3/SMG-4. Men deras roller i NMD är föremål för kontroverser. Det är också oklart vilken typ av interaktioner mellan dessa proteiner som faktiskt förekommer [15] [12] [14] [16] [17] .

Det har visats att vissa mRNA som innehåller prematura stoppkodon inte genomgår NMD [18] [19] . Som regel, i sådana mRNA, är det prematura stoppkodonet lokaliserat i början av den öppna läsramen [20] . Till exempel innehåller β-globulin-mRNA ett för tidigt stoppkodon i början av det första exonet och genomgår inte NMD. Detaljerna för mekanismen som tillåter sådana mRNA att undvika nedbrytning är okända. Det har föreslagits att det involverar det poly(A)-bindande proteinet (PABP) [21] .

Hos däggdjur

Det har visat sig att nukleotider som ligger 50–54 eller fler nukleotider uppströms om den sista korsningen av två exoner [3] [5] [7] [8] [9] [18] är viktiga för att utlösa mRNA-nedbrytning hos däggdjur . Nukleotider under denna punkt har ingen betydelse för NMD. Således är prematura stoppkodon lokaliserade 50–54 nukleotider uppströms om den sista två-exongränsen, medan normala stoppkodon är belägna i terminala exoner [22] . Exon junction complexes (EJCs ) markerar gränserna mellan exoner .  EJC är ett multiproteinkomplex som sätts ihop på transkriptet under splitsning 20-24 nukleotider uppströms om splitsningsstället [23] . Det är tack vare EJC som prematura stoppkodon kan särskiljas från normala. Igenkänning av prematura stoppkodon beror på definitionen av gränser mellan exoner, så spliceosomen är involverad i NMD hos däggdjur [18] [24] . NMD-vägen triggas inte av defekta transkript som läses från gener som inte innehåller introner , såsom genen för histon H4 , Hsp70 och melakortin-4-receptorn [9] .

Normalt är EJC-komplexen belägna efter stoppkodonen. När ribosomen rör sig längs mRNA:t förskjuter den EJC-komplexen. När ribosomen når det förtida stoppkodonet binder translationsfaktorerna eRF1 och eRF3 till de oförskjutna EJC-komplexen och bildar en multiproteinbrygga [25] . UPF1 interagerar med UPF2/UPF3 av den återstående EJC, utlöser mRNA-nedbrytning av endogena nukleaser [22] [25] .

Hos ryggradslösa djur

I organismer som S. cerevisiae , D. melanogaster och C. elegans är stoppkodonigenkänning inte associerad med exongränser [24] och hos dem är NMD inte associerad med splitsning. Av denna anledning kräver ryggradslösa NMD inte inblandning av EJC [4] . Flera möjliga mekanismer har föreslagits för att skilja mellan normala och prematura stoppkodoner i ryggradslösa celler. Enligt en hypotes har de några sekvenser som är belägna efter prematura stoppkodon och fungerar som EJC [15] . Den andra modellen antyder att den positionsinformation som krävs för att skilja mellan normala och prematura stoppkodon kan tillhandahållas av så utbredda mRNA-element som den 3'-terminala poly(A)-svansen [26] . Enligt en annan modell skiljer sig de 3'-terminala regionerna belägna efter normala och efter prematura stoppkodon, till exempel i sina associerade proteiner. Men ingen av dessa hypoteser har ännu experimentellt bekräftats [4] .

I växter

Växter har två mekanismer för att känna igen prematura stoppkodon: den första är relaterad till avståndet till EJC, som hos ryggradsdjur , och den andra är baserad på avståndet från stoppkodonet till poly(A)-svansen. I växter bryter NMD-vägen ned mRNA med en 3'-otranslaterad region längre än 300 nukleotider, därför är mRNA med långa 3'-otranslaterade regioner mycket mindre vanliga i växter än hos ryggradsdjur [27] [28] .

Nonstop degradation ( engelska  nonstop mediated decay, NSD ) syftar till att känna igen och förstöra transkript som saknar stoppkodon [30] [31] . Sådana mRNA kan härröra från för tidig 3'-polyadenylering, där polyadenyleringssignaler finns i den kodande regionen av transkriptet [32] . Ribosomen som binder till sådana mRNA översätter dem tills den når poly(A)-svansen, på vilken den "hänger" och inte kan dissociera från mRNA [33] . Om mRNA utan stoppkodon inte elimineras, kommer många ribosomer inte att kunna översätta normala mRNA, eftersom de är associerade med defekta transkript. Nonstop nedbrytning frisätter dinglande ribosomer och skickar mRNA utan stoppkodon att brytas ned av nukleaser. Nonstop nedbrytning fortskrider genom två huvudmekanismer, som förmodligen verkar tillsammans [30] [31] .

Path Ski7

Ski7-proteinet ska kunna binda till ribosomens tomma A-ställe och därigenom hjälpa de "hängda" ribosomerna att frigöra sig från transkriptet utan stoppkodon. Efter dissociation av ribosomen förblir Ski7 associerad med det defekta transkriptet, och det är i denna form som transkriptet förstörs av cytosoliska exosomer . Exosomens komplex med Ski7 deadenylerar snabbt mRNA:t, och sedan förstör exosomen transkriptet i riktningen från 3'-änden till 5'-änden [30] [31] .

Sökväg oberoende av Ski7

Den andra NSD-vägen beskrevs först i jäst. I frånvaro av Ski7, dissocierar poly(A)-bindande proteiner (PABP) från poly(A)-svansen. På grund av dissociationen av PABP-proteiner avlägsnas det skyddande 5'- ändlocket från transkriptet , och transkriptet bryts snabbt ned av endogena exonukleaser , såsom XrnI, från 5'-änden till 3'-änden [31] .

No-go degradering

No-go-nedbrytning ( No-Go decay ,  NGD ) var den sista av de för närvarande kända mekanismerna för kvalitetskontroll av mRNA [34] , och dess mekanism har ännu inte helt klarlagts. Det är inte känt exakt vilka mRNA som är målen för NGD, men det antas att dessa är mRNA som ribosomen "hängde" på under translation. Detta kan bero på den sekundära strukturen , vars beståndsdelar kan fysiskt hindra ribosomens avancemang [34] . Dom34/Hbs1-komplexet binder troligen till mRNA nära A-stället för den hängda ribosomen och hjälper den att lämna transkriptet [35] . I vissa fall introduceras ett snitt i transkriptet nära platsen där ribosomen "hängde", men endonukleaserna som gör detta snitt har inte identifierats. Transkriptfragment förstörs sedan slutligen av exosomer i riktningen från 3'-änden till 5'-änden eller av Xrn1-exonukleas i motsatt riktning [34] . Det är inte känt exakt hur Dom34/Hbs1 främjar dissociationen av den hängda ribosomen, men det är känt att Hbs1-proteinet är relaterat till Ski7-proteinet, som spelar en liknande roll i nonstop nedbrytning [7] [36] .

Evolution

Genom att spåra konservatismen hos nyckelproteinerna i var och en av mRNA-kvalitetskontrollmekanismerna är det möjligt att rekonstruera den evolutionära historien för dessa mekanismer. Nyckelproteiner är Dom34/Hbs1 i NGD [34] , Ski7 i NSD [30] och eRF i NMD [8] . Med användning av BLAST bestämdes närvaron av dessa proteiner i olika grupper av organismer. Det visade sig att Hbs1 (NGD) och eRF3 (NMD) bara finns i eukaryoter, medan Dom34 (NGD) finns i eukaryoter och archaea . I detta avseende var NGD förmodligen den första kvalitetskontrollmekanismen för mRNA. Ski7-proteinet (NSD) finns bara i jäst, så NSD verkar vara den sista av de tre mekanismerna. Således dök NMD upp som den andra av dem [37] .

Anteckningar

  1. ↑ Mironova L. N., Padkina M. V., Sambuk E. V. RNA: syntes och funktioner. - St Petersburg. : Eko-vektor, 2017. - S. 272. - 287 sid. - ISBN 978-5-906648-29-7 .
  2. ↑ Moore MJ från födelse till död: De komplexa liven för eukaryota mRNA   // Vetenskap . - 2005. - 2 september ( vol. 309 , nr 5740 ). - P. 1514-1518 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1111443 .
  3. ↑ 1 2 Amrani N. , Sachs MS , Jacobson A. Tidigt nonsens: mRNA-sönderfall löser ett translationsproblem.  (engelska)  // Naturrecensioner. Molekylär cellbiologi. - 2006. - Juni ( vol. 7 , nr 6 ). - s. 415-425 . doi : 10.1038 / nrm1942 . — PMID 16723977 .
  4. ↑ 1 2 3 4 Amrani N. , Ganesan R. , Kervestin S. , Mangus DA , Ghosh S. , Jacobson A. En faux 3'-UTR främjar avvikande terminering och triggar nonsens-medierad mRNA-nedbrytning.  (engelska)  // Nature. - 2004. - 4 november ( vol. 432 , nr 7013 ). - S. 112-118 . - doi : 10.1038/nature03060 . — PMID 15525991 .
  5. ↑ 1 2 3 Fasken Milo B , Corbett Anita H. Process eller förgås: kvalitetskontroll i mRNA-biogenes  //  Nature Structural & Molecular Biology. - 2005. - Juni ( vol. 12 , nr 6 ). - s. 482-488 . — ISSN 1545-9993 . doi : 10.1038 / nsmb945 .
  6. ↑ Krebs J., Goldstein E., Kilpatrick S. Genes enligt Lewin. - M . : Kunskapslaboratoriet, 2017. - S. 618. - 919 sid. — ISBN 978-5-906828-24-8 .
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 Chang YF , Imam JS , Wilkinson MF Den nonsens-medierade RNA-övervakningsvägen.  (engelska)  // Annual Review Of Biochemistry. - 2007. - Vol. 76 . - S. 51-74 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.76.050106.093909 . — PMID 17352659 .
  8. ↑ 1 2 3 Rehwinkel Jan , Raes Jeroen , Izaurralde Elisa. Nonsensmedierad mRNA-nedbrytning: målgener och funktionell diversifiering av effektorer  (engelska)  // Trends in Biochemical Sciences. - 2006. - November ( vol. 31 , nr 11 ). - s. 639-646 . — ISSN 0968-0004 . - doi : 10.1016/j.tibs.2006.09.005 .
  9. ↑ 1 2 3 Maquat Lynne E. Nonsens-medierat mRNA-sönderfall: splitsning, translation och mRNP-dynamik  //  Nature Reviews Molecular Cell Biology. - 2004. - Februari ( vol. 5 , nr 2 ). - S. 89-99 . — ISSN 1471-0072 . - doi : 10.1038/nrm1310 .
  10. ↑ Holbrook Jill A , Neu-Yilik Gabriele , Hentze Matthias W , Kulozik Andreas E. Nonsensmedierat förfall närmar sig kliniken   // Nature Genetics . - 2004. - Augusti ( vol. 36 , nr 8 ). - s. 801-808 . — ISSN 1061-4036 . doi : 10.1038 / ng1403 .
  11. ↑ Mendell Joshua T , Sharifi Neda A , Meyers Jennifer L , Martinez-Murillo Francisco , Dietz Harry C. Nonsensövervakning reglerar uttryck av olika klasser av däggdjurstranskript och dämpar genomiskt brus  //  Nature Genetics. - 2004. - 26 september ( vol. 36 , nr 10 ). - P. 1073-1078 . — ISSN 1061-4036 . - doi : 10.1038/ng1429 .
  12. ↑ 1 2 Cali BM , Kuchma SL , Latham J. , Anderson P. smg-7 krävs för mRNA-övervakning i Caenorhabditis elegans.  (engelska)  // Genetik. - 1999. - Februari ( vol. 151 , nr 2 ). - P. 605-616 . — PMID 9927455 .
  13. ↑ Yamashita Akio , Kashima Isao , Ohno Shigeo. Rollen av SMG-1 i nonsens-medierat mRNA-sönderfall // Biochimica et Biophysica Acta  (  BBA) - Proteins and Proteomics. - 2005. - December ( vol. 1754 , nr 1-2 ). - s. 305-315 . — ISSN 1570-9639 . - doi : 10.1016/j.bbapap.2005.10.002 .
  14. ↑ 1 2 Kim Yoon Ki , Furic Luc , DesGroseillers Luc , Maquat Lynne E. Mammalian Staufen1 rekryterar Upf1 till specifika mRNA 3'UTRs för att framkalla mRNA-sönderfall   // Cell . - 2005. - Januari ( vol. 120 , nr 2 ). - S. 195-208 . — ISSN 0092-8674 . - doi : 10.1016/j.cell.2004.11.050 .
  15. ↑ 1 2 Conti Elena , Izaurralde Elisa. Nonsens-medierat mRNA-förfall: molekylära insikter och mekanistiska variationer mellan arter  //  Current Opinion in Cell Biology. - 2005. - Juni ( vol. 17 , nr 3 ). - s. 316-325 . — ISSN 0955-0674 . - doi : 10.1016/j.ceb.2005.04.005 .
  16. ↑ Longman D. , Plasterk RH , Johnstone IL , Cáceres JF Mekanistiska insikter och identifiering av två nya faktorer i C. elegans NMD-väg.  (engelska)  // Gener & Development. - 2007. - 1 maj ( vol. 21 , nr 9 ). - P. 1075-1085 . - doi : 10.1101/gad.417707 . — PMID 17437990 .
  17. ↑ Gatfield D. Nonsens-medierad mRNA-sönderfall i Drosophila: vid skärningspunkten mellan jäst- och däggdjursvägarna  //  The EMBO Journal. - 2003. - 1 augusti ( vol. 22 , nr 15 ). - P. 3960-3970 . — ISSN 1460-2075 . - doi : 10.1093/emboj/cdg371 .
  18. ↑ 1 2 3 Nagy E. , Maquat LE En regel för termineringskodonposition inom introninnehållande gener: när nonsens påverkar RNA-överflöd.  (engelska)  // Trends In Biochemical Sciences. - 1998. - Juni ( vol. 23 , nr 6 ). - S. 198-199 . — PMID 9644970 .
  19. ↑ Inácio Ângela , Silva Ana Luísa , Pinto Joana , Ji Xinjun , Morgado Ana , Almeida Fátima , Faustino Paula , Lavinha João , Liebhaber Stephen A. , Romão Luísa. Nonsensmutationer i omedelbar närhet av initieringskodonet utlöser inte fullständigt nonsens-medierat mRNA-sönderfall  //  Journal of Biological Chemistry. - 2004. - 25 maj ( vol. 279 , nr 31 ). - P. 32170-32180 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.m405024200 .
  20. ↑ Silva AL , Pereira FJC , Morgado A. , Kong J. , Martins R. , Faustino P. , Liebhaber SA , Romao L. Det kanoniska UPF1-beroende nonsens-medierade mRNA-sönderfallet inhiberas i transkript som bär en kort öppen läsram oberoende av sekvenskontext  (engelska)  // RNA. - 2006. - 19 oktober ( vol. 12 , nr 12 ). - P. 2160-2170 . — ISSN 1355-8382 . - doi : 10.1261/rna.201406 .
  21. ↑ Silva AL , Ribeiro P. , Inacio A. , Liebhaber SA , Romao L. Närhet av poly(A)-bindande protein till ett prematurt termineringskodon hämmar däggdjurs nonsens-medierad mRNA-sönderfall   //RNA . - 2008. - 18 januari ( vol. 14 , nr 3 ). - s. 563-576 . — ISSN 1355-8382 . - doi : 10.1261/rna.815108 .
  22. ↑ 1 2 Zhang Jing , Sun Xiaolei , Qian Yimei , LaDuca Jeffrey P. , Maquat Lynne E. Minst en intron krävs för det nonsensmedierade sönderfallet av triosefosfat-isomeras-mRNA: en möjlig länk mellan nukleär splitsning och  )  Cytoplasma Molekylär och cellulär biologi. - 1998. - 1 september ( vol. 18 , nr 9 ). - P. 5272-5283 . — ISSN 0270-7306 . - doi : 10.1128/mcb.18.9.5272 .
  23. ↑ Neu-Yilik G. Splicing and 3' end formation i definitionen av nonsens-medierad sönderfallskompetenta mänskliga beta-globin mRNPs  //  The EMBO Journal. - 2001. - 1 februari ( vol. 20 , nr 3 ). - S. 532-540 . — ISSN 1460-2075 . - doi : 10.1093/emboj/20.3.532 .
  24. ↑ 1 2 Behm-Ansmant I. , Gatfield D. , Rehwinkel J. , Hilgers V. , Izaurralde E. En bevarad roll för cytoplasmatiskt poly(A)-bindande protein 1 (PABPC1) i nonsens-medierad mRNA-nedbrytning.  (engelska)  // The EMBO Journal. - 2007. - 21 mars ( vol. 26 , nr 6 ). - P. 1591-1601 . - doi : 10.1038/sj.emboj.7601588 . — PMID 17318186 .
  25. ↑ 1 2 Kashima I. , Yamashita A. , Izumi N. , Kataoka N. , Morishita R. , Hoshino S. , Ohno M. , Dreyfuss G. , Ohno S. Binding of a novel SMG-1-Upf1-eRF1- eRF3-komplex (SURF) till exonövergångskomplexet utlöser Upf1-fosforylering och nonsens-medierat mRNA-sönderfall.  (engelska)  // Gener & Development. - 2006. - 1 februari ( vol. 20 , nr 3 ). - s. 355-367 . - doi : 10.1101/gad.1389006 . — PMID 16452507 .
  26. ↑ Palaniswamy Viswanathan , Moraes Karen CM , Wilusz Carol J , Wilusz Jeffrey. Nukleofosmin deponeras selektivt på mRNA under polyadenylering  //  Nature Structural & Molecular Biology. - 2006. - 9 april ( vol. 13 , nr 5 ). - s. 429-435 . — ISSN 1545-9993 . doi : 10.1038 / nsmb1080 .
  27. ↑ Schwartz AM , Komarova TV , Skulachev MV , Zvereva AS , Dorokhov IuL. , Atabekov JG Stabiliteten hos växt-mRNA beror på längden av den 3'-otranslaterade regionen.  (engelska)  // Biokemi. Biokemi. - 2006. - December ( vol. 71 , nr 12 ). - P. 1377-1384 . — PMID 17223792 .
  28. ↑ Nyikó T. , Kerényi F. , Szabadkai L. , Benkovics AH , Major P. , Sonkoly B. , Mérai Z. , Barta E. , Niemiec E. , Kufel J. , Silhavy D. Plant nonsens-medierad mRNA-sönderfall är styrs av olika autoregulatoriska kretsar och kan induceras av ett EJC-liknande komplex.  (engelska)  // Nucleic Acids Research. - 2013. - Juli ( vol. 41 , nr 13 ). - P. 6715-6728 . - doi : 10.1093/nar/gkt366 . — PMID 23666629 .
  29. ↑ Garneau NL , Wilusz J. , Wilusz CJ Motorvägarna och bivägarna för mRNA-förfall.  (engelska)  // Naturrecensioner. Molekylär cellbiologi. - 2007. - Februari ( vol. 8 , nr 2 ). - S. 113-126 . - doi : 10.1038/nrm2104 . — PMID 17245413 .
  30. ↑ 1 2 3 4 van Hoof A. , Frischmeyer PA , Dietz HC , Parker R. Exosommedierad igenkänning och nedbrytning av mRNA som saknar ett termineringskodon.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 2002. - 22 mars ( vol. 295 , nr 5563 ). - P. 2262-2264 . - doi : 10.1126/science.1067272 . — PMID 11910110 .
  31. ↑ 1 2 3 4 Frischmeyer PA En mRNA-övervakningsmekanism som eliminerar transkript som saknar uppsägningskodon   // Vetenskap . - 2002. - 22 mars ( vol. 295 , nr 5563 ). - P. 2258-2261 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1067338 .
  32. ↑ Temperley RJ Undersökning av en patogen mtDNA-mikrodeletion avslöjar en translationsberoende deadenyleringsförfallsväg i mänskliga mitokondrier  //  Human Molecular Genetics. - 2003. - 15 juli ( vol. 12 , nr 18 ). - P. 2341-2348 . — ISSN 1460-2083 . doi : 10.1093 / hmg/ddg238 .
  33. ↑ Karzai AW , Roche ED , Sauer RT SsrA-SmpB-systemet för proteinmärkning, riktad nedbrytning och ribosomräddning.  (engelska)  // Nature Structural Biology. - 2000. - Juni ( vol. 7 , nr 6 ). - S. 449-455 . - doi : 10.1038/75843 . — PMID 10881189 .
  34. ↑ 1 2 3 4 Doma MK , Parker R. Endonukleolytisk klyvning av eukaryota mRNA med stall i translationsförlängning.  (engelska)  // Nature. - 2006. - 23 mars ( vol. 440 , nr 7083 ). - s. 561-564 . - doi : 10.1038/nature04530 . — PMID 16554824 .
  35. ↑ Kobayashi K. , Kikuno I. , Kuroha K. , Saito K. , Ito K. , Ishitani R. , Inada T. , Nureki O. Strukturell grund för mRNA-övervakning av archaeal Pelota och GTP-bundet EF1α-komplex.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 2010. - 12 oktober ( vol. 107 , nr 41 ). - P. 17575-17579 . - doi : 10.1073/pnas.1009598107 . — PMID 20876129 .
  36. ↑ Graille M. , Chaillet M. , van Tilbeurgh H. Structure of yeast Dom34: ett protein relaterat till translationstermineringsfaktor Erf1 och involverat i No-Go-förfall.  (engelska)  // The Journal Of Biological Chemistry. - 2008. - 14 mars ( vol. 283 , nr 11 ). - P. 7145-7154 . - doi : 10.1074/jbc.M708224200 . — PMID 18180287 .
  37. ↑ 1 2 Atkinson GC , Baldauf SL , Hauryliuk V. Evolution av nonstop, no-go och nonsens-medierad mRNA-sönderfall och deras termineringsfaktorhärledda komponenter.  (engelska)  // BMC Evolutionary Biology. - 2008. - 23 oktober ( vol. 8 ). - S. 290-290 . - doi : 10.1186/1471-2148-8-290 . — PMID 18947425 .