Ikke -kodende RNA - Non-coding RNA

Sammenlign ikke -oversatte regioner .
Rollerne for ikke-kodende RNA'er i det centrale dogme i molekylærbiologi : Ribonukleoproteiner er vist i røde, ikke-kodende RNA'er i blåt. Bemærk: i spliceosome bruges snRNA

Et ikke-kodende RNA ( ncRNA ) er et RNA- molekyle, der ikke oversættes til et protein . Den DNA- sekvens, hvorfra et funktionelt ikke-kodende RNA transkriberes, kaldes ofte et RNA- gen . Rigelige og funktionelt vigtige typer af ikke-kodende RNA'er omfatter transfer-RNA'er (tRNA'er) og ribosomale RNA'er (rRNA'er) samt små RNA'er, såsom mikroRNA'er , siRNA'er , piRNA'er , snoRNA'er , snRNA'er , exRNA'er , scaRNA'er og de lange ncRNA'er som f.eks. og HOTAIR .

Antallet af ikke-kodende RNA'er i det humane genom er ukendt; nylige transkriptomiske og bioinformatiske undersøgelser tyder imidlertid på, at der er tusinder af dem. Mange af de nyligt identificerede ncRNA'er er ikke blevet valideret til deres funktion. Det er også sandsynligt, at mange ncRNA'er ikke er funktionelle (undertiden omtalt som uønsket RNA ) og er et produkt af falsk transkription.

Ikke-kodende RNA'er menes at bidrage til sygdomme, herunder kræft og Alzheimers .

Historie og opdagelse

Yderligere oplysninger: Historie om molekylærbiologi

Nukleinsyrer blev først opdaget i 1868 af Friedrich Miescher, og i 1939 havde RNA været impliceret i proteinsyntese . To årtier senere forudsagde Francis Crick en funktionel RNA -komponent, som medierede translation ; han begrundede, at RNA er bedre egnet til at baseparre med et mRNA-transkript end et rent polypeptid .

Kløverbladstrukturen af ​​gær-tRNA Phe ( indsat ) og 3D-strukturen bestemt ved røntgenanalyse.

Det første ikke-kodende RNA, der blev karakteriseret, var et alanin- tRNA fundet i bagergær , dets struktur blev offentliggjort i 1965. For at producere en oprenset alanin-tRNA-prøve, Robert W. Holley et al. brugte 140 kg kommerciel bagegær til at give kun 1 g renset tRNA Ala til analyse. Den 80 nucleotid tRNA blev sekventeret ved først væsen fordøjet med Pankreatisk ribonuklease (producerer fragmenter slutter i cytosin eller uridin ) og derefter med takadiastase ribonuclease Tl (producerer fragmenter, som færdig med guanosin ). Kromatografi og identifikation af 5'- og 3' -enderne hjalp derefter med at arrangere fragmenterne til etablering af RNA -sekvensen. Af de tre strukturer, der oprindeligt blev foreslået for dette tRNA, blev 'cloverleaf' -strukturen uafhængigt foreslået i flere følgende publikationer. Kløverbladets sekundære struktur blev afsluttet efter røntgenkrystallografianalyse udført af to uafhængige forskningsgrupper i 1974.

Ribosomal RNA var ved at blive opdaget, efterfulgt af URNA i begyndelsen af ​​1980'erne. Siden da er opdagelsen af ​​nye ikke-kodende RNA'er fortsat med snoRNA'er , Xist , CRISPR og mange flere. Nylige bemærkelsesværdige tilføjelser omfatter riboswitches og miRNA ; opdagelsen af ​​RNAi -mekanismen forbundet med sidstnævnte tjente Craig C. Mello og Andrew Fire 2006 Nobelprisen i fysiologi eller medicin .

Nylige opdagelser af ncRNA'er er blevet opnået gennem både eksperimentelle og bioinformatiske metoder .

Biologiske roller

Ikke -kodende RNA'er tilhører flere grupper og er involveret i mange cellulære processer. Disse spænder fra ncRNA'er af central betydning, der bevares på tværs af hele eller det meste cellulære liv til mere forbigående ncRNA'er, der er specifikke for en eller et par nært beslægtede arter. De mere bevarede ncRNA'er menes at være molekylære fossiler eller levn fra den sidste universelle fælles forfader og RNA -verdenen , og deres nuværende roller forbliver mest i regulering af informationsstrøm fra DNA til protein.

I oversættelse

Atomstruktur af 50S -underenheden fra Haloarcula marismortui . Proteiner er vist med blå og de to RNA -tråde i orange og gul. Den lille grønne plet i midten af ​​underenheden er det aktive sted.

Mange af de bevarede, essentielle og rigelige ncRNA'er er involveret i translation . Ribonucleoprotein (RNP) partikler kaldet ribosomer er de 'fabrikker', hvor translation finder sted i cellen. Ribosomet består af mere end 60% ribosomalt RNA ; disse består af 3 ncRNA'er i prokaryoter og 4 ncRNA'er i eukaryoter . Ribosomale RNA'er katalyserer translationen af ​​nukleotidsekvenser til protein. Et andet sæt ncRNA'er, Transfer RNA'er , danner et 'adaptermolekyle' mellem mRNA og protein. The H / ACA box og C / D box snoRNAs er ncRNAer findes i archaea og eukaryoter. RNase MRP er begrænset til eukaryoter. Begge grupper af ncRNA er involveret i modning af rRNA. SnoRNA'erne guider kovalente ændringer af rRNA, tRNA og snRNA'er ; RNase MRP spalter det interne transkriberede afstandsstykke 1 mellem 18S og 5,8S rRNA'er. Det allestedsnærværende ncRNA, RNase P , er en evolutionær slægtning til RNase MRP. RNase P modner tRNA-sekvenser ved at generere modne 5'-ender af tRNA'er ved spaltning af 5'-lederelementerne i precursor-tRNA'er. En anden allestedsnærværende RNP kaldet SRP genkender og transporterer specifikke spirende proteiner til det endoplasmatiske retikulum i eukaryoter og plasmamembranen i prokaryoter . I bakterier Transfer-messenger RNA (tmRNA) er et RNP, der er involveret i at redde nedlagte ribosomer, mærke ufuldstændige polypeptider og fremme nedbrydning af afvigende mRNA.

Ved RNA -splejsning

Elektronmikroskopibilleder af gærspleksosomet. Bemærk, at hovedparten af ​​komplekset faktisk er ncRNA.

I eukaryoter udfører spliceosomet de splejsningsreaktioner , der er afgørende for at fjerne intronsekvenser , denne proces er nødvendig for dannelsen af ​​modent mRNA . Den splejsosom er en anden RNP ofte også kendt som snRNP eller tri-snRNP. Der er to forskellige former for spliceosomet, de store og mindre former. NcRNA -komponenterne i det store spliceosom er U1 , U2 , U4 , U5 og U6 . NcRNA -komponenterne i det mindre spliceosom er U11 , U12 , U5 , U4atac og U6atac .

En anden gruppe introner kan katalysere deres egen fjernelse fra værtsudskrifter; disse kaldes self-splicing RNA'er. Der er to hovedgrupper af selvspaltende RNA'er: gruppe I katalytisk intron og gruppe II katalytisk intron . Disse ncRNA'er katalyserer deres egen udskæring fra mRNA-, tRNA- og rRNA -forstadier i en lang række organismer.

Hos pattedyr har det vist sig, at snoRNA også kan regulere den alternative splejsning af mRNA, for eksempel regulerer snoRNA HBII-52 splejsning af serotoninreceptor 2C .

I nematoder synes SmY ncRNA at være involveret i mRNA trans-splejsning .

Ved DNA -replikation

Den Ro autoantigen protein (hvid) binder enden af et dobbeltstrenget Y RNA (rød) og en enkeltstrenget RNA (blå). (PDB: 1YVP [1] ).

Y RNA'er er stamme -sløjfer, der er nødvendige for DNA -replikation gennem interaktioner med kromatin og initieringsproteiner (herunder komplekset til genkendelse af oprindelse ). De er også komponenter i Ro60 -ribonukleoproteinpartiklen, som er et mål for autoimmune antistoffer hos patienter med systemisk lupus erythematosus .

I genregulering

Den ekspression af mange tusinde gener reguleres af ncRNAer. Denne regulering kan forekomme i trans eller i cis . Der er stigende tegn på, at en særlig type ncRNA'er kaldet enhancer -RNA'er , transskriberet fra enhancer -regionen i et gen, virker til at fremme genekspression.

Transvirkende

I højere eukaryoter regulerer mikroRNA'er genekspression. Et enkelt miRNA kan reducere ekspressionsniveauerne for hundredvis af gener. Mekanismen, hvormed modne miRNA -molekyler virker, er gennem delvis komplementær til et eller flere messenger -RNA (mRNA) molekyler, generelt i 3 'UTR'er . Hovedfunktionen for miRNA'er er at nedregulere genekspression.

Det har også vist sig, at ncRNA RNase P påvirker genekspression. I den menneskelige kerne er RNase P påkrævet for den normale og effektive transkription af forskellige ncRNA'er transkriberet af RNA -polymerase III . Disse inkluderer tRNA, 5S rRNA , SRP RNA og U6 snRNA gener. RNase P udøver sin rolle i transkription gennem associering med Pol III og kromatin af aktivt tRNA og 5S rRNA -gener.

Det er blevet vist, at 7SK RNA , et metazoan ncRNA, fungerer som en negativ regulator af RNA-polymerase II- forlængelsesfaktoren P-TEFb , og at denne aktivitet er påvirket af stressresponsveje.

Bakteriet ncRNA, 6S RNA , associerer specifikt med RNA -polymerase -holoenzym indeholdende sigma70 -specificitetsfaktoren. Denne interaktion undertrykker ekspression fra en sigma70-afhængig promotor under stationær fase .

En anden bakteriel ncRNA, OxyS RNA undertrykker translation ved binding til Shine-Dalgarno-sekvenser, hvorved ribosombinding lukkes . OxyS RNA induceres som reaktion på oxidativ stress i Escherichia coli.

B2 RNA er et lille ikke -kodende RNA -polymerase III -transkript, der undertrykker mRNA -transkription som reaktion på varmechok i museceller. B2 RNA inhiberer transkription ved binding til kerne Pol II. Gennem denne interaktion samles B2 RNA til præinitieringskomplekser ved promotoren og blokerer RNA -syntese.

En nylig undersøgelse har vist, at netop transskription af ncRNA -sekvens kan have indflydelse på genekspression. RNA -polymerase II -transkription af ncRNA'er er påkrævet til ombygning af kromatin i Schizosaccharomyces -pomben . Chromatin konverteres gradvist til en åben konfiguration, da flere arter af ncRNA'er transkriberes.

Cis-fungerende

Hovedartikler: Fem primære uoversatte region og tre prima uoversatte region

Et antal ncRNA'er er indlejret i 5' -UTR'erne (utranslaterede regioner) af proteinkodende gener og påvirker deres ekspression på forskellige måder. For eksempel kan en riboswitch direkte binde et lille målmolekyle ; målets binding påvirker genets aktivitet.

RNA -ledersekvenser findes opstrøms for det første gen af ​​aminosyre -biosyntetiske operoner. Disse RNA -elementer danner en af ​​to mulige strukturer i regioner, der koder for meget korte peptidsekvenser, der er rige på slutproduktets aminosyre i operonen. En terminatorstruktur dannes, når der er et overskud af den regulatoriske aminosyre og ribosombevægelse over lederudskriften ikke hæmmes. Når der er en mangel på den ladede tRNA for den regulerende aminosyre, dannes ribosomet, der oversætter lederpeptidboderne, og antiterminatorstrukturen dannes. Dette tillader RNA -polymerase at transkribere operonen. Kendte RNA -ledere er Histidine operon leder , Leucine operon leder , Threonine operon leder og Tryptophan operon leder .

Jernresponselementer (IRE) er bundet af jernresponsproteiner (IRP). IRE findes i UTR'er for forskellige mRNA'er, hvis produkter er involveret i jernmetabolisme . Når jernkoncentrationen er lav, binder IRP ferritin -mRNA IRE, hvilket fører til translation -undertrykkelse.

Interne ribosomindgangssteder (IRES) er RNA -strukturer, der tillader initiering af translation midt i en mRNA -sekvens som en del af processen med proteinsyntese .

I genomforsvar

PlWI-interagerende RNA'er (piRNAs) udtrykt i mammale testikler og somatiske celler danner RNA-protein-komplekser med PlWI proteiner. Disse piRNA -komplekser (piRC'er) er blevet knyttet til transkriptionel gen -lyddæmpning af retrotransposoner og andre genetiske elementer i kimlinieceller , især dem i spermatogenese .

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) er gentagelser, der findes i mange bakteriers og archaea 's DNA . Gentagelserne adskilles med afstandsstykker af lignende længde. Det er blevet påvist, at disse afstandsstykker kan stamme fra fag og efterfølgende hjælpe med at beskytte cellen mod infektion.

Kromosomstruktur

Telomerase er et RNP -enzym, der tilføjer specifikke DNA -sekvensrepetitioner ("TTAGGG" hos hvirveldyr) til telomere regioner, som findes i enderne af eukaryote kromosomer . Telomerer indeholder kondenseret DNA -materiale, hvilket giver kromosomer stabilitet. Enzymet er en revers transkriptase, der bærer Telomerase RNA , som bruges som en skabelon, når det forlænger telomerer, som forkortes efter hver replikationscyklus .

Xist (X-inaktivt-specifikt transkript) er et langt ncRNA-gen på X-kromosomet i placentapattedyrene, der fungerer som hovedeffektor af X-kromosom-inaktiveringsprocessen , der danner Barr-legemer . Et antisense -RNA , Tsix , er en negativ regulator af Xist. X -kromosomer, der mangler Tsix -ekspression (og dermed har høje niveauer af Xist -transkription) inaktiveres oftere end normale kromosomer. I drosophilider , som også bruger et XY-kønsbestemmelsessystem , er roX (RNA på X) RNA'erne involveret i doseringskompensation. Både Xist og roX fungerer ved epigenetisk regulering af transkription gennem rekruttering af histonmodificerende enzymer .

Bifunktionelt RNA

Bifunktionelle RNA'er , eller RNA'er med dobbelt funktion , er RNA'er, der har to forskellige funktioner. Størstedelen af ​​de kendte bifunktionelle RNA'er er mRNA'er, der koder for både et protein og ncRNA'er. Et stigende antal ncRNA'er falder imidlertid ind i to forskellige ncRNA -kategorier; f.eks. H/ACA -kasse snoRNA og miRNA .

To velkendte eksempler på bifunktionelle RNA'er er SgrS RNA og RNAIII . Imidlertid vides der at eksistere en håndfuld andre bifunktionelle RNA'er (f.eks. Steroidreceptoraktivator/SRA, VegT RNA, Oskar RNA, ENOD40 , p53 RNA og SR1 RNA . Bifunktionelle RNA'er har for nylig været genstand for et særnummer af Biochimie .

Som et hormon

Der er en vigtig forbindelse mellem visse ikke-kodende RNA'er og kontrollen med hormonregulerede veje. I Drosophila kan hormoner som ecdysone og juvenil hormon fremme ekspressionen af ​​visse miRNA'er. Desuden forekommer denne regulering på forskellige tidspunkter inden for C. elegans udvikling. Hos pattedyr er miR-206 en afgørende regulator af østrogenreceptor -alfa.

Ikke-kodende RNA'er er afgørende for udviklingen af ​​flere endokrine organer såvel som for endokrine sygdomme som diabetes mellitus . Specifikt i MCF-7-cellelinjen øgede tilsætning af 17β- østradiol global transskription af de ikke-kodende RNA'er kaldet lncRNA'er nær østrogenaktiverede kodende gener.

Ved patogen undgåelse

C. elegans viste sig at lære og arve patogen undgåelse efter udsættelse for et enkelt ikke-kodende RNA af et bakterielt patogen .

Roller i sygdom

Se også: Langt ikke-kodende RNA § Langt ikke-kodende RNA'er ved sygdom

Som med proteiner kan mutationer eller ubalancer i ncRNA -repertoiret i kroppen forårsage en række forskellige sygdomme.

Kræft

Mange ncRNA'er viser unormale ekspressionsmønstre i kræftvæv . Disse inkluderer miRNA'er , lange mRNA-lignende ncRNA'er , GAS5 , SNORD50 , telomerase RNA og Y RNA'er . MiRNA'erne er involveret i storskala regulering af mange proteinkodende gener, Y RNA'erne er vigtige for initiering af DNA -replikation, telomerase RNA, der fungerer som en primer for telomerase, en RNP, der strækker telomere regioner i kromosomender (se telomerer og sygdom for mere information). Den direkte funktion af de lange mRNA-lignende ncRNA'er er mindre klar.

Germ-line mutationer i miR-16-1 og miR-15 primære forstadier har vist sig at være meget hyppigere hos patienter med kronisk lymfatisk leukæmi sammenlignet med kontrolpopulationer.

Det er blevet foreslået, at en sjælden SNP ( rs11614913 ), der overlapper has-mir-196a2, har vist sig at være forbundet med ikke-småcellet lungekræft . På samme måde fandt en skærm af 17 miRNA'er, der er forudsagt at regulere et antal brystkræftassocierede gener, variationer i mikroRNA'erne miR-17 og miR-30c-1 hos patienter; disse patienter var ikke-bærere af BRCA1 eller BRCA2 -mutationer, udlån muligheden for, at familiær brystkræft kan skyldes variation i disse miRNA. Den p53 tumor suppressor er nok den vigtigste middel til at forebygge tumordannelse og progression. P53 -proteinet fungerer som en transkriptionsfaktor med en afgørende rolle i orkestrering af cellulær stressrespons. Ud over sin afgørende rolle i kræft har p53 været impliceret i andre sygdomme, herunder diabetes, celledød efter iskæmi og forskellige neurodegenerative sygdomme som Huntington, Parkinson og Alzheimer. Undersøgelser har antydet, at p53-ekspression er underlagt regulering af ikke-kodende RNA.

Et andet eksempel på ikke-kodende RNA, der er dysreguleret i kræftceller, er det lange ikke-kodende RNA Linc00707. Linc00707 er opreguleret og svamper miRNA'er i humane knoglemarvsafledte mesenkymale stamceller i hepatocellulært carcinom, mavekræft eller brystkræft og fremmer således osteogenese, bidrager til hepatocellulært carcinomprogression, fremmer proliferation og metastase eller indirekte regulerer ekspression af proteiner involveret i henholdsvis kræft aggressivitet.

Prader -Willis syndrom

Sletningen af ​​de 48 kopier af C/D -boksen snoRNA SNORD116 har vist sig at være den primære årsag til Prader -Willi syndrom . Prader – Willi er en udviklingsforstyrrelse forbundet med overspisning og indlæringsvanskeligheder. SNORD116 har potentielle målsteder inden for en række proteinkodende gener og kan have en rolle i reguleringen af ​​alternativ splejsning.

Autisme

Det kromosomale locus, der indeholder den lille nukleolære RNA SNORD115 -genklynge, er blevet duplikeret hos cirka 5% af personer med autistiske træk . En musemodel, der er konstrueret til at have en kopiering af SNORD115-klyngen, viser autistisk lignende adfærd. En nylig lille undersøgelse af post-mortem hjernevæv viste ændret ekspression af lange ikke-kodende RNA'er i præfrontal cortex og lillehjerne i autistiske hjerner sammenlignet med kontroller.

Brusk -hårhypoplasi

Mutationer inden for RNase MRP har vist sig at forårsage bruskhårhypoplasi , en sygdom forbundet med en række symptomer såsom kort statur, sparsomt hår, skeletonormaliteter og et undertrykt immunsystem, der er hyppigt blandt amish og finsk . Den bedst karakteriserede variant er en A-til-G- overgang ved nucleotid 70, der er i en loop-region to baser 5 'af en konserveret pseudoknot . Mange andre mutationer inden for RNase MRP forårsager imidlertid også CHH.

Alzheimers sygdom

Antisense RNA, BACE1-AS transkriberes fra den modsatte streng til BACE1 og opreguleres hos patienter med Alzheimers sygdom . BACE1-AS regulerer ekspressionen af ​​BACE1 ved at øge BACE1 mRNA-stabiliteten og generere yderligere BACE1 gennem en post-transkriptionel feed-forward mekanisme. Ved samme mekanisme øger det også koncentrationerne af beta -amyloid , hovedbestanddelen i senile plaques. BACE1-AS-koncentrationerne er forhøjede hos personer med Alzheimers sygdom og i amyloide precursorprotein-transgene mus.

miR-96 og høretab

Variation inden for frøområdet for modent miR-96 har været forbundet med autosomalt dominerende , progressivt høretab hos mennesker og mus. De homozygote mutantmus var dybt døve og viste ingen cochlea -respons. Heterozygote mus og mennesker mister gradvist evnen til at høre.

Skelnen mellem funktionelt RNA (fRNA) og ncRNA

Forskere er begyndt at skelne funktionelt RNA ( fRNA ) fra ncRNA for at beskrive regioner, der er funktionelle på RNA-niveau, og som måske eller ikke er enkeltstående RNA-transkripter. Dette indebærer, at fRNA (såsom riboswitches, SECIS-elementer og andre cis-regulerende regioner) ikke er ncRNA. Alligevel kunne fRNA også omfatte mRNA , da dette er RNA, der koder for protein, og derfor er funktionelt. Derudover falder kunstigt udviklede RNA'er også under fRNA -paraplybetegnelsen. Nogle publikationer siger, at ncRNA og fRNA er næsten synonyme, men andre har påpeget, at en stor andel af kommenterede ncRNA'er sandsynligvis ikke har nogen funktion. Det er også blevet foreslået blot at bruge udtrykket RNA , da skelnen fra et proteinkodende RNA ( messenger -RNA ) allerede er givet af kvalifikatoren mRNA . Dette eliminerer tvetydigheden ved adressering af et gen, der "koder for et ikke-kodende" RNA. Desuden kan der være en række ncRNA'er, der er forkert anført i offentliggjort litteratur og datasæt.

Se også

Referencer

eksterne links

( Wayback maskinkopi )