Transfer-messenger RNA (tmRNA, engelska Transfer-messenger RNA ), även känd som 10Sa-RNA och SsrA-RNA [1] , är ett litet RNA 260 till 430 nukleotider långt , som är involverat i frisättningen av ribosomer som "fastnar" under translation av problemområden av mRNA , samt förstörelse av defekta peptider till följd av ofullständig translation . Mekanismen för frisättning av en ribosom med ett defekt mRNA med deltagande av tmRNA kallas trans -translation. Det första tmRNA:t upptäcktes 1994 [2] i Escherichia coliEscherichia coli , och sedan dess har tmRNA beskrivits i olika grupper av bakterier [3] . tmRNA- gener finns i genomen hos nästan alla bakterier och många organeller [4] .
Som namnet antyder kombinerar tmRNA egenskaperna hos både tRNA och mRNA, och tmRNA-molekyler innehåller domäner som strukturellt och funktionellt liknar tRNA och mRNA. Emellertid är tmRNA nästan fem gånger större än tRNA. De mycket konserverade änddelarna av molekylen bildar en struktur som liknar tRNA-acceptorstammen. Bredvid dessa regioner finns sekvenser som liknar T- och D-loopen av tRNA och har motsvarande nukleotidmodifieringar . Tillsammans bildar dessa regioner en struktur som liknar L-formen av tRNA, dock utan antikodonet [5] .
Den mRNA-liknande domänen representeras av den centrala delen av tmRNA- molekylen , som innehåller en öppen läsram som kodar för en peptid med 10-27 aminosyror och slutar med ett stoppkodon . Den har inget startkodon , så dess normala översättning är omöjlig. Förkortning eller förlängning av den öppna läsramen med ett kodon är tillåten utan att störa trans -translationens funktion [1] . Från 5'-änden är den mRNA-liknande domänen intill sekvensen som bildar pseudoknoten , och från 3'-änden finns det ytterligare tre pseudoknoter. Pseudoknoter spelar en viktig roll i molekylens interaktion med ribosomen och translationsfaktorer [6] . Pseudoknoter är vanligtvis bevarade, men ibland genomgår de förändringar, till exempel i cyanobakterier ersätts den sista pseudoknoten av två mindre pseudoknoter som är anordnade i tandem. Under trans -translation förstörs basparning i området för de tre sista pseudoknoterna [7] [8] .
I vissa fall observeras cirkulära permutationer i tmRNA (det vill säga ett fragment av tmRNA -genen som kodar för en av de två funktionella delarna av tmRNA vänds i motsatt riktning, på grund av vilket tmRNA är uppbyggt av två separata fragment). De är karakteristiska för alla α-proteobakterier och primitiva mitokondrier hos protister av Jakobida- gruppen , två grupper av cyanobakterier ( släktet Gloeobacter och en kladd som innehåller släktet Prochlorococcus och många arter av släktet Synechococcus ) , såväl som för vissa β-proteobakterier , t.ex. Cupriavidus . Sådana tmRNA består av två delar: acceptor och kodning, dessutom innehåller de aldrig mer än två pseudoknoter [9] [10] .
En typisk E. coli -cell innehåller cirka 500 kopior av tmRNA. Liksom många andra RNA genomgår tmRNA post-transkriptionell bearbetning , vilket består i avlägsnande av flera nukleotider från båda ändarna av flera RNaser , inklusive RNase P , som också fungerar i tRNA-mognad, såväl som exonukleaser RNase T och RNase PH [11] [12] . Det bearbetade tmRNA:t binder till SmpB- proteinet och det resulterande komplexet känns igen av alanyl-tRNA-syntetas , som lägger till en alaninrest till 3'-änden av tmRNA [13] . Till skillnad från många andra aminoacyl-tRNA-syntetaser känner inte alanin-aminoacyl-tRNA-syntetasen igen antikodonet för det aminoacylerade tRNA:t, så det kan också fungera med tmRNA som saknar antikodonet [14] . Det tredje basparet av acceptorstammen är icke-Watson-Crick, G - U , och det är hon som känns igen av alanin-tRNA-syntetas [5] .
Ibland kodas tmRNA av mobila genetiska element , till exempel finns de i 10% av mykobakteriofager [15] . Många transposerbara element stör tmRNA-gener. Dessa inkluderar självsplitsande typ I-introner , palindromiska rickettsia- element och genomiska öar som kodar för integrase [16] [17] [18] [19] .
2015 lanserades databasen tmRNA Webbplats , som innehåller tmRNA-sekvenser, deras anpassningar och anteckningar, samt sekvenserna av SmpB-proteinet, som är nära besläktat med tmRNA [4] .
SmpB är det viktigaste proteinet som binder till tmRNA. Det är lika starkt konserverat bland bakterier som tmRNA. SmpB binder till den tRNA-liknande domänen av tmRNA och förhindrar att tmRNA förstörs medan det är utanför ribosomen , och förbättrar även tmRNA-aminoacylering. Den globulära domänen av proteinet interagerar med den tRNA-liknande domänen , på grund av vilken frånvaron av den nedre halvan av L-formen av tRNA i tmRNA kompenseras. Således härmar den tRNA-liknande domänen tRNA i komplex med SmpB. E. coli - ribosomen har minst två SmpB-bindningsställen, ett i A-stället och det andra i sitt P-ställe, på grund av vilket komplexet av tmRNA och SmpB som härmar tRNA också bevaras i ribosomen. Förutom SmpB kan det ribosomala proteinet S1 och translationsförlängningsfaktorn EF -Tu binda till tmRNA . S1 är inte nödvändigt för de första händelserna av transtranslation (före bildandet av en ny peptidbindning ), men kan vara viktig för efterföljande steg. EF-Tu i komplex med GTP binder till tmRNA som bär en alaninrest och levererar den till ribosomens A-ställe, som vid normal translation [5] .
Ribosomstopp på mRNA kan uppstå om det inte innehåller ett stoppkodon, om det innehåller en grupp kodon för vilka det inte finns några aminoacylerade tRNA i cellen, och även i de fall där mRNA bildar en stabil tredimensionell struktur som interfererar med ribosomens framfart. Det noteras dock att vissa mRNA genomgår trans -translation mycket oftare än andra, och olika mRNA genomgår aktiv trans -translation i olika bakteriearter . Efter leverans av tmRNA-komplexet med SmpB hydrolyseras GTP till GDP , vilket orsakar konformationella omarrangemang, på grund av vilka EF-Tu i komplexet med GDP lämnar ribosomen, och den alaninbärande tRNA-liknande domänen associerad med SmpB uppträder i En sida. Under denna process interagerar den C-terminala svansen av SmpB med mRNA-kanalen bakom A-stället. Om det finns mRNA i kanalen kommer interaktionen inte att inträffa. Därefter överförs peptiden som syntetiserats innan ribosomen stannar till alaninresten av tmRNA. Det resulterande komplexet av peptiden, tRNA-liknande domänen och SmpB flyttas från A-stället till P-stället i ribosomen, och för att kunna flytta måste kopplingen mellan den C-terminala svansen av SmpB och mRNA-kanalen vara trasig. Därefter sker en konformationell omarrangemang av den C-terminala svansen av SmpB, på grund av vilken translation av tmRNA kan börja [5] . Med andra ord, istället för det problematiska mRNA:t börjar ribosomen att översätta den öppna läsramen till tmRNA. Under den första translokationen av ribosomen lämnar mRNA ribosomen med hjälp av EF-G-faktorn och den förstörs av specifika RNaser . Proteinsyntes , där två kodande RNA används i sekvens, kallas trans -translation. När ribosomen fullbordar translation av tmRNA:t bildas en chimär peptid, vars C-terminal läses från tmRNA:t. Det spelar rollen som en märkning som känns igen av bakteriella proteolyssystem som bryter ned den defekta peptiden [20] .
tmRNA- mutationer som gör aminoacylering omöjlig blockerar också förmågan hos tmRNA att koda för tag-peptiden, så att fungera som ett tRNA råder över den kodande förmågan [5] .
För att normalt tRNA ska komma in i A-stället i ribosomen är interaktion med mRNA från dess antikodon nödvändig. Emellertid har tmRNA inget antikodon, och uppenbarligen härmar den nedre delen av tRNA:t som innehåller antikodonet SmpB. För att känna igen ribosomen som ska frigöras från transkriptet krävs hydrolys av GTP. Först efter det antar SmpB en konformation som gör att den kan bedöma beläggningen av mRNA-kanalen [5] .
Således är trans -translation nödvändig för att förhindra ackumulering av trunkerade peptider och defekta mRNA i cellen . Således binder RNas R till SmpB i komplex med tmRNA. Den aktiveras under stressförhållanden, och hos Caulobacter crescentus beror dess aktivitet på skedet av cellcykeln [5] .
Analys av många bakteriella genomiska sekvenser har visat att tmRNA och trans -translation finns i varje bakteriecell. Den tmRNA-region som motsvarar tRNA har en konserverad sekvens, till skillnad från resten av molekylen. Tag-peptidens sekvens och dess längd är inte särskilt konserverade, men dess sista fyra aminosyrarester är mycket konserverade och bildar A L AA-sekvensen. Det är hon som är målet för periplasmatiska proteaser och cytoplasmatiska ATP-beroende proteaser, som förstör defekta polypeptider [5] . Märkligt nog är komplexet av Mycobacterium tuberculosis tmRNA och E. coli SmpB icke- funktionellt, medan komplexet av E. coli tmRNA och M. tuberculosis SmpB fungerar framgångsrikt [21] .
Inget bifunktionellt RNA som tmRNA finns i eukaryoternas kärngenom . De behöver förmodligen inte translationell kvalitetskontroll så mycket som bakterier, på grund av olika mekanismer för mRNA-kvalitetskontroll . I jäst har emellertid en mekanism liknande trans -translation, utförd av proteiner, beskrivits. I Saccharomyces cerevisiae översätts proteiner från det defekta mRNA: t ubiquitineras och riktas mot destruktion i proteasomen . Vi kan inte utesluta möjligheten att eukaryoter har bifunktionella proteiner som i funktion liknar tmRNA [1] .
För första gången hittades mitokondriellt tmRNA i protisten Reclinomonas americana från Jakobida-gruppen [9] . Därefter identifierades de i den stora majoriteten av representanter för Jakobida [22] [23] . tmRNA-gener har också identifierats i mitokondriella genom av oomycetes [24] . Mitokondriella tmRNA kännetecknas av cirkulära permutationer och består av två delar, och endast i Jakoba libera hittades en inversion som återställde den normala strukturen för tmRNA-genen, på grund av vilken det vanliga endelade tmRNA syntetiseras från den [23] .
Det bör noteras att, förutom trans -translation, har bakterier andra sätt att frigöra ribosomen med det problematiska mRNA:t. Men för vissa bakterier, såsom Mycoplasma genitalium , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Shigella flexneri och Mycobacterium tuberculosis , är trans -translation avgörande. Hos de bakterier som kan överleva utan tmRNA, minskar frånvaron av trans -translation cellers motståndskraft mot stress: hög eller låg temperatur , brist på näringsämnen , behandling med etanol eller kalcium , exponering för syror och olika läkemedel. Dessutom, under stressförhållanden, ökar intensiteten av trans -translation, vilket förmodligen är associerat med en ökning av antalet defekta mRNA under dessa förhållanden. Vid brist på aminosyror aktiveras RelE- endonukleaset , vilket skär ut transkripten för att bilda mRNA utan stoppkodon, som förstörs med deltagande av tmRNA. trans -translation är också associerad med regleringen av uttrycket av gener involverade i stressresponsen. Dessutom, när tRNA förstörs av colicinerna E5 och D, går E. coli in i ett tillstånd av bakteriostas med deltagande av tmRNA och SmpB [25] . Brott mot trans -translation minskar patogeniciteten hos vissa bakterier, så antibiotika utvecklas som stör denna process [5] .
trans -translation är också involverad i cellulära processer som inte är förknippade med stress. Till exempel, i Caulobacter crescentus , är cellcykeln och initieringen av DNA-replikation under kontroll av trans -translation. Uttrycket av tmRNA och SmpB i denna bakterie ökar i den sena G1-fasen , men i början av replikationen förstörs DNA snabbt. Under G1-fasen är tmRNA stabilt, men i början av S-fasen förstörs det av RNase R [1] . I E. coli , i frånvaro av trans -translation, försenas initieringen av DNA-replikation och tillväxthastigheten minskas [26] . I Bacillus subtilis är trans -translation involverad i sporbildning [5] .
Många strukturella likheter, såsom konserverade hårnålar och slingor, tyder på att ursprunget till tmRNA är nära relaterat till tRNA. tmRNA visar många strukturella likheter med tRNA- introner , som i bakterier är självsplitsande typ I-introner. Det är dock fortfarande oklart om tmRNA härstammar från tRNA med en grupp I-intron eller vice versa. Märkligt nog är alanin (den enda aminosyran som aminoacylerar tmRNA) en av aminosyrorna vars kodon förekom i den äldsta varianten av den förfäders genetiska koden ; detta kan vara en indikation på urminnestiden för ursprunget till tmRNA. Ett antal forskare betraktar tmRNA som en mellanlänk mellan RNA-världen och det moderna livet baserat på proteinsyntes med hjälp av ribosomer. Det antas att den allra första formen av tmRNA uppträdde genom fusion av två korta hårnåls-RNA; sådana tmRNA innehöll en acceptorstam med ett stort intron, såväl som en öppen läsram. Förmodligen hade de gamla tmRNA:erna flera acceptorstammar som bar andra aminosyror förutom alanin. Därefter gav sådana proto-tmRNA upphov till moderna tRNA och mRNA, såväl som tmRNA av modern typ [14] .
| Typer av RNA | |
|---|---|
| Proteinbiosyntes | |
| RNA-bearbetning |
|
| Reglering av genuttryck |
|
| cis-reglerande element | |
| Parasitiska element | |
| Övrig |
|
| Nukleinsyratyper _ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Kvävehaltiga baser | ||||
| Nukleosider | ||||
| Nukleotider | ||||
| RNA | ||||
| DNA | ||||
| Analoger | ||||
| Vektortyper _ |
| |||
| ||||
| Översättning i bakterier | |||
|---|---|---|---|
| |||
| 30S underenhet |
| ||
| 50S underenhet |
| ||
| Initiering |
| ||
| Förlängning |
| ||
| Uppsägning |
| ||
| Återvinning |
| ||
| Antibiotika |
| ||