RNA termometer eller RNA termometer ( eng. RNA termometer, RNA termometer, RNAT ) är ett temperaturkänsligt icke-kodande RNA som är involverat i regleringen av genuttryck . RNA- termometrar, som regel, reglerar gener som är nödvändiga för svar på värme eller köldchock , men deras deltagande i regleringen av långvarig svält och patogenicitet har visats [1] .
Funktionsprincipen för en RNA-termometer är att ändra den sekundära strukturen hos denna molekyl som svar på en temperaturförändring . Under dessa strukturella förändringar exponeras viktiga delar av detta RNA, till exempel ribosombindningsstället , eller omvänt går djupt in i molekylen, vilket påverkar translationen av den närliggande proteinkodande genen.
RNA-termometrar, tillsammans med riboswitchar , ger stöd för RNA-världshypotesen . Enligt denna teori var till en början den enda nukleinsyra som fanns i cellerna RNA, som sedan ersattes av det moderna DNA → RNA → proteinsystemet [2] .
Exempel på RNA-termometrar är FourU [3] , cis -regulatory element Hsp90 [4] , ROSE element [5] , Hsp17 termometer [6] .
Upptäckten av det första temperaturkänsliga RNA-elementet rapporterades 1989 [7] . Tidigare studier har visat att mutationer uppströms om translationsstartstället i mRNA cIII av lambdafagen (λ) påverkar nivån av translation av protein cIII [8] . Detta protein är involverat i valet av programmet ( lytisk eller lysogen väg) för λ-fagens livscykel, och en hög koncentration av cIII-protein motsvarar den lysogena vägen [8] . Ytterligare studier visade att denna uppströms RNA-region har två alternativa sekundära strukturer. Det visade sig att dessa strukturer inte är utbytbara och beror på koncentrationen av Mg 2+ joner och temperatur [7] [9] . Man tror nu att dessa RNA-termometrar utlöser den lytiska vägen under värmechockförhållanden så att bakteriofagen snabbt kan replikera och lämna värdcellen [1] .
Termen "RNA-termometer" användes inte förrän 1999 [10] då RNA-elementet rpoH från bakterien Escherichia coli namngavs som sådant [11] . Nyligen har flera nya möjliga RNA-termometrar identifierats med hjälp av bioinformatiktekniker [12] . I det här fallet är den vanliga sekvenssökningen ineffektiv, eftersom den sekundära strukturen hos RNA-termometrar är mycket mer konservativ än deras nukleotidsekvenser [ 12] .
Olika metoder används för att studera hur RNA-termometrar fungerar. För att studera dynamiken hos RNA-termometrar kan man ersätta vanliga nukleotider på vissa platser med fluorescerande och på så sätt observera deras förändringar [13] . För att bestämma positionen för RNA-termometern i sekvensen som studeras vid vissa temperaturer utvecklades en speciell webbserver RNAthermsw [14] . För att identifiera bakteriella RNA-termometrar används även genetiska metoder, till exempel Tet-Trap [15] .
De flesta av de för närvarande kända RNA-termometrarna är belägna i de 5'-otranslaterade regionerna (5'-UTR) av prokaryota mRNA som kodar för värmechockproteiner . Kanske beror dessa resultat på selektionsbias och oöverstigliga svårigheter att hitta korta icke-konservativa sekvenser i genomiska data [16] [17] .
Även om de flesta kända RNA-termometrar har hittats i prokaryoter (inklusive cyanobakterier [18] ), har möjliga RNA-termometrar identifierats i däggdjur , inklusive människor [19] . Hos människor aktiverar den förmodade termosensorn värmechock RNA-1 (HSR1) värmechock-transkriptionsfaktor-1 (HSF1) och utlöser syntesen av skyddande proteiner vid temperaturer över 37 °C ( normal kroppstemperatur ) , och skyddar därigenom celler från överhettning [19] . Det cis -regulatoriska elementet Hsp90 reglerar uttrycket av hsp90- chaperonen i Drosophila , vilket ökar dess translation vid höga temperaturer [4] .
Strukturen hos RNA-termometrar är enkel och kan bildas av korta RNA-sekvenser. Den minsta kända RNA-termometern är 44 nukleotider lång. Det är beläget i mRNA från värmechockproteinet (hsp17) i cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 [6] . I allmänhet sträcker sig RNA-termometrar från 60 till 110 nukleotider i längd [21] , och de innehåller vanligtvis en hårnål där en liten del av baserna är oparade . De minskar strukturens stabilitet, på grund av vilket den lätt kan smälta när temperaturen stiger [16] .
Detaljerad strukturanalys av ROSE RNA-termometern visade att de felaktiga baserna faktiskt deltar i den icke-standardiserade basparningen som upprätthåller den spiralformade strukturen av RNA. Dessa ovanliga par representeras av G -G , U -U och U C -U paren . Eftersom dessa icke-kanoniska par är relativt instabila, orsakar en ökning av temperaturen lokal fusion av RNA i denna region, vilket exponerar Shine-Dalgarno-sekvensen [20] .
Vissa RNA-termometrar är mycket mer komplexa än en enda hårnål, som i fallet med 5'-UTR av CspA-mRNA , där RNA-termometern innehåller en pseudoknot och många hårnålar [22] [23] .
Konstgjorda RNA-termometrar som innehåller endast en hårnål har utvecklats [24] . Nukleotidsekvensen för sådana korta RNA-termometrar kan emellertid vara känsliga för mutationer, och substitution av en enda bas kan göra denna RNA-termometer inaktiv in vivo [25] .
RNA-termometrar är belägna i 5'-UTR av mRNA, uppströms om den kodande sekvensen [1] . Till skillnad från riboswitches som verkar på nivån av transkription , translation och reglering av mRNA-stabilitet, agerar alla för närvarande kända RNA-termometrar på nivån för translationsinitiering [26] . Strukturella förändringar i RNA-termometrar kan ta bort ribosombindningsstället djupt in i molekylen och därmed förhindra translation av mRNA till protein [16] . Med ökande temperatur kan hårnålsstrukturen hos RNA-termometern smälta och exponera ribosomens bindningsställe eller Shine-Dalgarno-sekvensen (och i vissa fall startkodonet AUG [18] ), vilket tillåter den lilla subenheten av ribosomen ( 30S ) för att binda till mRNA:t, efter vad hela sändningsapparaten går för [1] . Startkodonet , vanligtvis beläget 8 nukleotider nedströms om Shine-Dalgarno-sekvensen [16] , markerar början av den proteinkodande regionen , som ribosomen översätter till en peptid . Förutom dessa cis - verkande RNA-termometrar är den enda transagerande RNA -termometern känd, belägen i RpoS mRNA , där den ska reglera svaret på långvarig svält [1] .
Som ett exempel, betrakta FourU Salmonella enterica RNA-termometer [3] . Under inverkan av temperaturer över 45 °C smälter hårnålen som innehåller Shine-Dalgarno-sekvensen , Shine-Dalgarno-sekvensen blir oparad och mRNA-translation blir möjlig [25] . Det har visat sig att FourUs stabilitet påverkas av koncentrationen av Mg 2+ [27] . Den mest studerade är RNA-termometern som finns i mRNA från rpoH -genen i E. coli [28] . Denna termosensor reglerar positivt translationen av värmechockproteiner vid höga temperaturer genom en specialiserad sigmafaktor σ 32 [10] .
I Bradyrhizobium japonicum och Rhizobium radiobacter har proteobakterier av ordningen Rhizobiales, RNA-termometrarna ROSE 1 respektive ROSE AT2 beskrivits. De är belägna i 5'-UTR av HspA och undertrycker translationen av värmechockproteiner vid fysiologiska temperaturer [5] [29] .
Även om RNA-termometrar vanligtvis är förknippade med uttrycket av värmechockproteiner, kan de också reglera uttrycket av köldchockproteiner [22] . Till exempel, i den termofila bakterien Thermus thermophilus , regleras uttrycket av två 7 kDa- proteiner av en RNA-termometer [30] , och en liknande mekanism har också beskrivits i Escherichia coli [23] .
RNA-termometrar som svarar på 37°C kan användas av patogener för att aktivera gener förknippade med infektion . Till exempel, genom att ympa genen som kodar för grönt fluorescerande protein till 5'-änden av prfA -genen, som kodar för en nyckeltranskriptionell regulator av virulensgener i Listeria monocytogenes , visades positiv reglering av prfA- uttryck : vid transkription av en sådan hybridgen från T7 - promotorn E. coli - fluorescens observerades vid 37°C men inte vid 30°C [31] . RNA-termometrar är involverade i regleringen av virulensen hos sådana patogena bakterier som Leptospira interrogans och Vibrio cholerae [32] . I den patogena bakterien Shigella dysenteriae och patogena stammar av Escherichia coli är RNA-termometrar involverade i regleringen av processer som påverkar patogenesen [18] [33] [34] .
Ibland kan ett operon regleras av flera RNA-termometrar. Det förutspås att E. coli ibpAB- operonet innehåller två samverkande RNA-termometrar: ROSE-elementet och IbpB-termometern [35] .
Det bör också noteras att RNA-termometrar inte bara kan användas för att reglera translationen av monocistroniska transkript som innehåller en enda Shine-Dalgarno-sekvens , utan också för polycistroniska transkript som innehåller flera Shine-Dalgarno-sekvenser [18] . Till exempel, i Pseudomonas putida tillhandahålls motstånd mot stress av det tricistroniska operonet, som är bevarat bland många frilevande bakterier. De två första generna av detta operon regleras av RNA-termometrar [36] .
RNA-världshypotesen hävdar att RNA från början fungerade som en bärare av ärftlig information och genomförde enzymatiska processer, och olika RNA-sekvenser fungerade som biokatalysatorer , regulatorer och sensorer [37] . Senare, under påverkan av selektion, började de flesta av de funktioner som utförs av RNA utföras av andra biomolekyler , och liv baserat enbart på RNA ersattes av liv baserat på DNA , RNA och protein [2] .
Man tror att RNA-termometrar och riboswitchar är evolutionärt uråldriga element, eftersom de är utbredda i de mest evolutionärt avlägsna organismer [38] . Det har föreslagits att i RNA-världen utförde RNA-termometrar temperaturberoende reglering av andra RNA [2] [39] . I moderna organismer är RNA-termometrar möjligen " molekylära fossiler " som var mycket vanligare i den svunna världen av RNA än vad de är nu [2] .
För temperaturkontroll av genuttryck i bakterier utvecklas konstgjorda RNA-termometrar [40] [24] .
2013 utvecklades "termozymer" - konstgjorda RNA-termometrar med ribozymaktivitet . Den termosensoriska hårnålen i smält tillstånd hämmar ribozymets arbete, vilket frigör ribosombindningssekvensen. Vid förhöjda temperaturer smälter hårnålen, ribozymet inaktiveras och genuttrycket undertrycks. Således reagerar thermozyme på förhöjda temperaturer på motsatt sätt till naturliga RNA-termometrar [41] .
Under 2016 rapporterades skapandet av "termiska switchar" - integrationen av temperaturkänsliga RNA-termometrar och riboswitch -aptamerer i en enda struktur. Termiska switchar fungerar som riboswitchar vid låga temperaturer och reagerar på bindning med sin ligand genom att ändra strukturen, och vid höga temperaturer går de in i ett permanent "på" tillstånd. Således är termiska switchar de första RNA-termometrarna som fungerar på transkriptionsnivån . Sådana artificiella RNA-regulatorer kan användas allmänt för att reglera genuttryck [26] .
2016 föreslogs RNAiFold2T-algoritmen för utveckling av specifika RNA-termometrar som innehåller IRES. Den lockoberoende translationen av sådana termo-IRES-element är cirka 50 % mer intensiv vid 42°C än vid 30°C. Deras translationseffektivitet är dock fortfarande mindre än den för vildtyp IRES, vilket inte beror på temperatur [42] .
| Typer av RNA | |
|---|---|
| Proteinbiosyntes | |
| RNA-bearbetning |
|
| Reglering av genuttryck |
|
| cis-reglerande element | |
| Parasitiska element | |
| Övrig |
|