2023 Autor: Bailey Leapman | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-05-20 22:44
Oma viimase avastusega on teadlased märkimisväärselt edendanud arusaamist, kuidas inimrakud kaitsevad end pidevate ja potentsiaalselt hävitavate muutuste eest geeniekspressioonis. Selle kuu ajakirjas Nature Structural & Molecular Biology avaldatud artikli kohaselt on uurimine oluline, kuna kaitse ise võib kaasa aidata haiguste tekkele ja võime sellest kõrvale hoida võib viia sadade geneetiliste häirete uute ravimeetoditeni.
Inimese keha plaan on kodeeritud geenidesse, millest paljud sisaldavad teavet, mis on vajalik ühe või mitme valgu ehitamiseks. Geeniekspressioon on protsess, mille käigus geenidesse salvestatud informatsioon kaetakse valkudeks, mis moodustavad keha struktuure ja täidavad selle funktsioone. Kui geneetilisi juhiseid säilitatakse desoksüribonukleiinhapete (DNA) ahelates, rakendatakse neid ribonukleiinhapete (RNA) abil. Messenger RNA (mRNA), DNA modifitseeritud koopia, transporditakse raku tehastesse, mida nimetatakse ribosoomideks ja mis saavad juhiseid valkude ehitamiseks mRNA malle "lugedes".
Aja jooksul arenevad geenid, et näidata muutusi nende koostises. Mõned muutused või mutatsioonid ei avalda mõju, mõned pakuvad eeliseid, mis muudavad organismid tõenäolisemaks ellujäämiseks ja teised põhjustavad haigusi. Üks sageli esinev, kahjustav mutatsiooniklass on enneaegsete lugemise lõpetamise signaalide (stoppkoodonite) lisamine mRNA-sse. Neid nimetatakse "kaadrinihkeks" või "mõttetuks" mutatsioonideks, mis annavad geneetilisele protsessile korralduse lõpetada osa juhiste lugemisest, mille tulemuseks on mittetäielike valkude moodustumine. Mõjutatud mRNA-d loovad lühendatud, puudega valke, mis võivad looduslikke protsesse saboteerida, konkureerides täppide pärast, mida tavaliselt hoiavad nende täispikkad kolleegid, või lihts alt mitte töötades.
Viimastel aastatel on Rochesteri ülikooli meditsiinikeskuse teadlased avastanud loomuliku seiresüsteemi olemasolu, mis määrab, millised mRNA-d läbivad seaduslike mallidena, ja mis aitab hävitada ülejäänud. Samuti leidsid nad, et sõelumisprotsess, mida nimetatakse nonsenss-vahendatud mRNA lagunemiseks (NMD), võib peaaegu kõrvaldada olulise valgu mRNA matriitsi, kuna mRNA on omandanud mõttetu koodoni.
"Meie uuring on oluline, kuna tegime esimest korda kindlaks, et mRNA-d siduv valk CBP80 ütleb NMD-süsteemile, millised mRNA-d mõttetute koodonite osas üle vaadata," ütles Ph. D. Lynne E. Maquat, meditsiinikeskuse biokeemia ja biofüüsika professor ning loodusteose vanemautor koos doktorikraadi Nao Hosodaga, Ph. D. "See on kriitilise tähtsusega, sest teades CBP80 struktuuri ja rolli, saame nüüd püüda välja töötada ravimipõhiseid geeniteraapiaid, mis segavad seda juhtudel, kui NMD aitab kaasa haigusi põhjustavale valgupuudusele." Teadlased võivad muundada mRNA kvaliteedikontrolli NMD-lt paindlikumaks süsteemiks, mis "jätab tähelepanuta" vead ja pakub rohkem malle funktsionaalsete valkude loomiseks.
Geneetiline otsustaja
Kahe aastakümne jooksul on teadlased teinud intuitiivseid hüppeid mõistmaks, kuidas NMD töötab translatsiooniga, geeniekspressiooni teise faasiga, kus RNA-d juhivad valkude moodustamist. Geneetilisi haigusi uurides tegi Maquat neli aastat tagasi teooria, et tõlkimist peab olema kahte tüüpi. Varajane "pioneer" voor kontrollib kõiki uusi mRNA-sid vigade suhtes ja käivitab vigade tuvastamisel NMD. Teine "püsiseisundi" ümmargune translatsioon suunab seejärel "NMD-ga heakskiidetud" mRNA-del põhinevate normaalsete valkude masstootmise. Hiljuti on Maquati meeskond töötanud selle nimel, et teha kindlaks NMD-ga seotud valkude rollid, mis on looduspaberi fookuses.
Tõlke ajal loetakse mRNA ahelaid ühes suunas nende ehitusplokkide, mida nimetatakse nukleotiidideks, olemusest, alustades 5-algalisest otsast ja lõpetades 3-algulise otsaga. Kui mRNA ahelad sünteesitakse, kinnitatakse 5-pealise otsa külge 7-metüülguanosiini kate ja 3-pealise otsa külge korduvate adenosiini molekulide saba. Kork ja saba kaitsevad mRNA-d ensüümide eest, mis muidu hävitaksid selle mõlemast otsast.
Lisaks oma kaitsvale rollile on 5-prime cap kavandatud seonduma kahe seotud korki siduva valgu (CBP) kompleksiga, CBP80 ja CBP20. Korki siduv kompleks on osa suuremast translatsiooni initsiatsioonikompleksist, mis võimaldab ribosoomidel mRNA-sid lugeda kvaliteedikontrolli käigus. Varasemad uuringud Maquati laboris paljastasid kaks olulist fakti korki siduvate valkude kohta. Esiteks saab ribosoomide abil transleerida mis tahes mRNA-d, mille CBP80 on kinnitatud selle 5-pealise korgi külge. Teiseks on CBP80-ga seotud mRNA-d suunatud NMD-le, kui ribosoom leiab varajase stoppkoodoni. Hiljuti näitas loodusartikkel esimest korda, et CBP80 toimib, aktiveerides teadaolev alt NMD-d juhtiva valgufaktori, mida nimetatakse inimese üles-kaadrinihke (hUpf) valguks 1.
Tühikute küsimus
Ebaküps mRNA koosneb nii "kohustuslikest" RNA tükkidest, mida nimetatakse eksoniteks, mis kodeerivad valkude moodustamist, kui ka osadest, mida nimetatakse introniteks, mis valke ei kodeeri. Selleks, et mRNA küpseks, tuleb see lõigata ja kleepida rakuseadmetega, mis panevad valgu ehitamiseks lõplikus mallis uuesti kokku ainult eksonid. Viimastel aastatel on Maquati töörühm kinnitanud, et kompleksid, mis tuvastavad varaseid nonsensskoodoneid, moodustavad eksoni-eksoni ristmikel kohad, kus iga "peab lugema" sektsioon küpses ahelas järgmisega ühendatud.
Maquat ja kolleegid õpivad, et suur osa NMD regulatiivsest tegevusest sõltub molekulide füüsilisest vahekaugusest RNA ahelas. Kui lugemise lõpetamise signaal tekib liiga kaugel ahela viimasest eksonist, mida tähistab ekson-eksoni ühenduskompleksi (EJC), järeldab rakk, et stoppkoodon on ekslikult langenud juhiste komplekti keskele. Täpsem alt usuvad Meditsiinikeskuse teadlased nüüd, et stoppkoodon on märgistatud enneaegseks, kui see esineb rohkem kui 55 nukleotiidi võrra ülesvoolu (5 algotsa suunas) eksoni-eksoni ristmikul.
Kui need ruuminõuded on täidetud, interakteerub CBP80 inimese üles-kaadrinihke valkudega – teguritega, mis ühinevad eksoni-eksoni ristmike kompleksides, et juhtida NMD läbivaatamist. Kolm üles kaadrinihke valku töötavad koos, et vallandada lagunemine, kui varane nonsensskoodon on tuvastatud, tõenäoliselt värbades ensüüme, mis eemaldavad kahtlustatavatelt mRNA-delt saba ja korgi ning seedivad nende ahelaid. Kui mõttetuid koodoneid ei tuvastata, asendatakse CBP80 ja selle partner CBP20 teise korki siduva valguga, mis muudab mRNA immuunseks NMD poolt edasiste märkuste suhtes.
"NMD on elegantne protsess, mis pakub tulevaste meditsiiniliste teraapiate jaoks mitmeid sihtmärke, " ütles Maquat."Lisaks oma rollile vigaste mRNA-de väljasõelumisel kohese lagunemise kaudu oleme ka õppinud, et NMD tegur Upf1 on osa seotud protsessist, mis reguleerib paljude normaalsete geenide ekspressiooni, kontrollides ajavahemikku, mille jooksul nende kodeeritud mRNA-d lagunevad. Evolutsioon sageli laenab kasulik mehhanism ühest protsessist ja paneb selle tööle teises."
