Polyadenylering - Polyadenylation

Typisk struktur for et modent eukaryot mRNA

Polyadenylering er tilsetningen av en poly (A) hale til et RNA -transkript, vanligvis et messenger -RNA (mRNA). Poly (A) halen består av flere adenosinmonofosfater ; med andre ord, det er en strekning av RNA som bare har adeninbaser . I eukaryoter er polyadenylering en del av prosessen som produserer modent mRNA for oversettelse . I mange bakterier fremmer poly (A) halen nedbrytning av mRNA. Det er derfor en del av den større prosessen med genuttrykk .

Prosessen med polyadenylering begynner når transkripsjonen av et gen avsluttes . Det 3′-mest segmentet av det nylagde pre-mRNA blir først spaltet av et sett med proteiner ; disse proteinene syntetiserer deretter poly (A) halen ved RNAs 3 ′ ende. I noen gener legger disse proteinene til en poly (A) hale på et av flere mulige steder. Derfor kan polyadenylering produsere mer enn ett transkripsjon fra et enkelt gen ( alternativ polyadenylering ), lik alternativ spleising .

Poly (A) halen er viktig for kjernefysisk eksport, oversettelse og stabilitet av mRNA. Halen blir forkortet over tid, og når den er kort nok, nedbrytes mRNA enzymatisk. I noen få celletyper lagres imidlertid mRNA med korte poly (A) haler for senere aktivering ved re-polyadenylering i cytosolen. I motsetning til dette, når polyadenylering skjer i bakterier, fremmer det RNA -nedbrytning. Dette er også noen ganger tilfelle for eukaryote ikke-kodende RNA .

mRNA-molekyler i både prokaryoter og eukaryoter har polyadenylerte 3'-ender, med de prokaryote poly (A) haler generelt kortere og mindre mRNA-molekyler polyadenylerte.

Bakgrunn om RNA

Kjemisk struktur av RNA. Basesekvensen er forskjellig mellom RNA -molekyler.

RNA er en type store biologiske molekyler, hvis individuelle byggesteiner kalles nukleotider. Navnet poly (A) hale (for polyadenylsyrehale) gjenspeiler måten RNA -nukleotider forkortes med en bokstav for basen nukleotidet inneholder (A for adenin , C for cytosin , G for guanin og U for uracil ). RNA produseres ( transkriberes ) fra en DNA -mal. Etter konvensjon skrives RNA -sekvenser i en 5 ′ til 3 ′ -retning. 5' -enden er den delen av RNA -molekylet som transkriberes først, og 3' -enden transkriberes sist. 3' -enden er også der poly (A) halen finnes på polyadenylerte RNAer.

Messenger RNA (mRNA) er RNA som har en kodende region som fungerer som en mal for proteinsyntese ( oversettelse ). Resten av mRNA, de ikke -oversatte regionene , stiller inn hvor aktivt mRNA er. Det er også mange RNA som ikke er oversatt, kalt ikke-kodende RNA. Som de ikke-oversatte regionene har mange av disse ikke-kodende RNA-ene regulatoriske roller.

Kjernepolyadenylering

Funksjon

Ved kjernepolyadenylering legges en poly (A) hale til et RNA på slutten av transkripsjonen. På mRNA beskytter poly (A) halen mRNA -molekylet mot enzymatisk nedbrytning i cytoplasma og hjelper til med transkripsjonsterminering, eksport av mRNA fra kjernen og translation. Nesten alle eukaryote mRNA er polyadenylerte, med unntak av dyre replikasjonsavhengige histon mRNA. Dette er de eneste mRNAene i eukaryoter som mangler en poly (A) hale, som i stedet ender i en stamme-sløyfestruktur etterfulgt av en purinrik sekvens, betegnet histon nedstrøms element, som leder hvor RNA kuttes slik at 3 ′ enden av histon -mRNA dannes.

Mange eukaryote ikke-kodende RNA blir alltid polyadenylert på slutten av transkripsjonen. Det er små RNAer der poly (A) halen bare ses i mellomformer og ikke i det modne RNA ettersom endene fjernes under behandling, de bemerkelsesverdige er mikroRNA . Men for mange lange ikke -kodende RNA  - en tilsynelatende stor gruppe regulatoriske RNA som for eksempel inkluderer RNA Xist , som formidler X -kromosominaktivering  - er en poly (A) hale en del av det modne RNA.

Mekanisme

Det prosessive polyadenyleringskomplekset i eukaryotes kjerne fungerer på produkter av RNA -polymerase II , for eksempel forløper mRNA . Her klyver et multiproteinkompleks (se komponenter til høyre) den 3′-største delen av et nyprodusert RNA og polyadenylerer enden som produseres av denne spaltningen. Spaltningen katalyseres av enzymet CPSF og forekommer 10–30 nukleotider nedstrøms bindingsstedet. Dette stedet har ofte polyadenyleringssignalsekvensen AAUAAA på RNA, men det finnes varianter av det som binder seg svakere til CPSF . To andre proteiner gir spesifisitet til bindingen til et RNA: CstF og CFI. CstF binder seg til en GU-rik region lenger nedstrøms CPSFs nettsted. CFI gjenkjenner et tredje sted på RNA (et sett med UGUAA -sekvenser hos pattedyr) og kan rekruttere CPSF selv om AAUAAA -sekvensen mangler. Polyadenyleringssignalet - sekvensmotivet som gjenkjennes av RNA -spaltningskomplekset - varierer mellom grupper av eukaryoter. De fleste menneskelige polyadenyleringssteder inneholder AAUAAA -sekvensen, men denne sekvensen er mindre vanlig hos planter og sopp.

RNA -et spaltes vanligvis før transkripsjonsterminering, ettersom CstF også binder seg til RNA -polymerase II. Gjennom en dårlig forstått mekanisme (fra og med 2002), signalerer det at RNA -polymerase II glir av transkripsjonen. Cleavage involverer også proteinet CFII, selv om det er ukjent hvordan. Spaltingsstedet assosiert med et polyadenyleringssignal kan variere opptil 50 nukleotider.

Når RNA blir spaltet, starter polyadenylering, katalysert av polyadenylatpolymerase. Polyadenylatpolymerase bygger poly (A) halen ved å tilsette adenosinmonofosfatenheter fra adenosintrifosfat til RNA og spalte av pyrofosfat . Et annet protein, PAB2, binder seg til den nye, korte poly (A) halen og øker affiniteten til polyadenylatpolymerase for RNA. Når poly (A) halen er omtrent 250 nukleotider lang, kan enzymet ikke lenger binde seg til CPSF og polyadenyleringsstopp, og dermed bestemme lengden på poly (A) halen. CPSF er i kontakt med RNA -polymerase II, slik at den kan signalere polymerasen om å avslutte transkripsjon. Når RNA -polymerase II når en "avslutningssekvens" (⁵'TTTATT³ 'på DNA -malen og''AAUAAA³' på det primære transkriptet), signaliseres slutten på transkripsjonen. Polyadenyleringsmaskinen er også fysisk knyttet til spliceosomet , et kompleks som fjerner introner fra RNA.

Nedstrøms effekter

Poly (A) halen fungerer som bindingsstedet for poly (A) -bindende protein . Poly (A) -bindende protein fremmer eksport fra kjernen og translasjon, og hemmer nedbrytning. Dette proteinet binder seg til poly (A) halen før mRNA -eksport fra kjernen og i gjær rekrutterer også poly (A) nuklease, et enzym som forkorter poly (A) halen og tillater eksport av mRNA. Poly (A) -bindende protein eksporteres til cytoplasma med RNA. mRNA som ikke eksporteres, nedbrytes av eksosomet . Poly (A) -bindende protein kan også binde seg til og dermed rekruttere flere proteiner som påvirker translasjon, en av disse er initieringsfaktor -4G, som igjen rekrutterer 40S ribosomal subenhet. Imidlertid er en poly (A) hale ikke nødvendig for oversettelsen av alle mRNA -er. Videre kan poly (A) tailing (oligo-adenylering) bestemme skjebnen til RNA-molekyler som vanligvis ikke er poly (A) -hale (for eksempel (små) ikke-kodende (sn) RNA etc.) og dermed indusere deres RNA forfall.

Deadenylering

I eukaryote somatiske celler blir poly (A) halene til de fleste mRNA i cytoplasma gradvis kortere, og mRNA med kortere poly (A) hale blir mindre oversatt og nedbrytes tidligere. Det kan imidlertid ta mange timer før et mRNA degraderes. Denne deadenylerings- og nedbrytningsprosessen kan akselereres av mikroRNAer som er komplementære til 3' -oversatte regionen i et mRNA. I umodne eggceller nedbrytes ikke mRNA med forkortede poly (A) haler, men lagres i stedet og er translasjonelt inaktive. Disse korthalede mRNAene aktiveres ved cytoplasmatisk polyadenylering etter befruktning, under eggaktivering .

Hos dyr kan poly (A) ribonuklease ( PARN ) binde seg til 5 ′ -hetten og fjerne nukleotider fra poly (A) halen. Tilgangsnivået til 5 ′ -hetten og poly (A) halen er viktig for å kontrollere hvor snart mRNA blir degradert. PARN deadenylerer mindre hvis RNA er bundet av initieringsfaktorene 4E (ved 5 ′ -hetten) og 4G (ved poly (A) halen), og derfor reduserer translasjon deadenylering. Dadenyleringshastigheten kan også reguleres av RNA-bindende proteiner. I tillegg forsinker RNA triple helix -strukturer og RNA -motiver, slik som poly (A) tail 3 'end binding pocket, deadenyleringsprosessen og hemmer fjerning av poly (A) haler. Når poly (A) halen er fjernet, fjerner decapping -komplekset 5 ′ -hetten, noe som fører til en nedbrytning av RNA. Flere andre proteiner er involvert i deadenylering i spirende gjær og humane celler, særlig CCR4-Not- komplekset.

Cytoplasmatisk polyadenylering

Det er polyadenylering i cytosolen til noen dyrecelletyper, nemlig i kimlinjen , under tidlig embryogenese og på postsynaptiske steder i nerveceller . Dette forlenger poly (A) halen til et mRNA med en forkortet poly (A) hale, slik at mRNA blir oversatt . Disse forkortede poly (A) halene er ofte mindre enn 20 nukleotider, og er forlenget til rundt 80–150 nukleotider.

I det tidlige musembryoet lar cytoplasmatisk polyadenylering av mors RNA fra eggcellen cellen overleve og vokse, selv om transkripsjon ikke starter før i midten av 2-cellestadiet (4-cellers stadium hos mennesker). I hjernen er cytoplasmatisk polyadenylering aktiv under læring og kan spille en rolle i langsiktig potensiering , som er styrking av signaloverføringen fra en nervecelle til en annen som respons på nerveimpulser og er viktig for læring og minnedannelse.

Cytoplasmatisk polyadenylering krever RNA-bindende proteiner CPSF og CPEB , og kan involvere andre RNA-bindende proteiner som Pumilio . Avhengig av celletype kan polymerasen være den samme typen polyadenylatpolymerase (PAP) som brukes i kjernefysisk prosess, eller den cytoplasmatiske polymerasen GLD-2 .

Resultater av bruk av forskjellige polyadenyleringssteder på det samme genet

Alternativ polyadenylering

Mange proteinkodende gener har mer enn ett polyadenyleringssted, så et gen kan kode for flere mRNA som er forskjellige i 3'-enden . 3' -regionen i et transkripsjon inneholder mange polyadenyleringssignaler (PAS). Når mer proksimale (nærmere mot 5' -enden) PAS -steder brukes, forkortes dette lengden på 3' -oversatte regionen (3'UTR) av et transkripsjon. Studier på både mennesker og fluer har vist vevsspesifikk APA. Med nevronvev som foretrekker distal PAS -bruk, noe som fører til lengre 3 'UTR og testisvev som foretrekker proksimalt PAS som fører til kortere 3' UTR. Studier har vist at det er en sammenheng mellom et gens bevaringsnivå og dets tendens til å gjøre alternativ polyadenylering, med svært konserverte gener som viser mer APA. På samme måte følger sterkt uttrykte gener dette samme mønsteret. Ribosekventeringsdata (sekvensering av bare mRNA inne i ribosomer) har vist at mRNA-isoformer med kortere 3 'UTR er mer sannsynlig å bli oversatt.

Siden alternativ polyadenylering endrer lengden på 3 'UTR , kan den også endre hvilke bindingssteder som er tilgjengelige for mikroRNA i 3' UTR. MicroRNA har en tendens til å undertrykke oversettelse og fremme nedbrytning av mRNAene de binder seg til, selv om det er eksempler på mikroRNA som stabiliserer transkripsjoner. Alternativ polyadenylering kan også forkorte den kodende regionen, og dermed gjøre mRNA -koden for et annet protein, men dette er mye mindre vanlig enn bare å forkorte den 3 ′ uoversatte regionen.

Valget av poly (A) -sted kan påvirkes av ekstracellulære stimuli og avhenger av ekspresjonen av proteinene som deltar i polyadenylering. Eksempelvis øker ekspresjonen av CstF-64 , en underenhet av spaltningsstimulerende faktor (CstF), i makrofager som respons på lipopolysakkarider (en gruppe bakterielle forbindelser som utløser en immunrespons). Dette resulterer i valg av svake poly (A) steder og dermed kortere transkripsjoner. Dette fjerner regulatoriske elementer i 3 ′ uoversatte regioner av mRNA for forsvarsrelaterte produkter som lysozym og TNF-α . Disse mRNAene har da lengre halveringstid og produserer flere av disse proteinene. Andre RNA-bindende proteiner enn de i polyadenyleringsmaskineriet kan også påvirke om et polyadenyleringssted brukes, det samme kan DNA-metylering i nærheten av polyadenyleringssignalet.

Merking for nedbrytning i eukaryoter

For mange ikke-kodende RNA , inkludert tRNA , rRNA , snRNA og snoRNA , er polyadenylering en måte å markere RNA for nedbrytning, i hvert fall i gjær . Denne polyadenyleringen utføres i kjernen av TRAMP -komplekset , som holder en hale som er rundt 4 nukleotider lang til 3 ′ enden. RNA blir deretter degradert av eksosomet . Poly (A) haler er også funnet på humane rRNA -fragmenter, både i form av homopolymer (bare A) og heterpolymer (hovedsakelig A) haler.

I prokaryoter og organeller

Polyadenylering i bakterier hjelper polynukleotidfosforylase til å bryte ned forbi sekundær struktur

I mange bakterier kan både mRNA og ikke-kodende RNA polyadenyleres. Dette poly (A) -hale fremmer degradering av den degradosome , som inneholder to RNA-nedbrytende enzymer: polynukleotidfosforylase og RNase E . Polynukleotidfosforylase binder seg til 3' -enden av RNA og 3' -forlengelsen levert av poly (A) halen gjør at den kan binde seg til RNAene hvis sekundære struktur ellers ville blokkert 3' -enden. Etterfølgende runder med polyadenylering og nedbrytning av 3' -enden med polynukleotidfosforylase gjør at degradosomet kan overvinne disse sekundære strukturene. Poly (A) halen kan også rekruttere RNaser som kutter RNA i to. Disse bakterielle poly (A) halene er omtrent 30 nukleotider lange.

I så forskjellige grupper som dyr og trypanosomer , de mitokondriene inneholde både stabiliserende og destabiliserende poly (A) hale. Destabiliserende polyadenylering er rettet mot både mRNA og ikke -kodende RNA. Poly (A) halene er i gjennomsnitt 43 nukleotider lange. De stabiliserende starter ved stoppkodonet, og uten dem er stoppkodonet (UAA) ikke komplett ettersom genomet bare koder for U- eller UA -delen. Plante mitokondrier har bare destabiliserende polyadenylering. Mitokondriell polyadenylering har aldri blitt observert verken i spirende eller fisjonær gjær.

Mens mange bakterier og mitokondrier har polyadenylatpolymeraser, har de også en annen type polyadenylering, utført av polynukleotidfosforylase selv. Dette enzymet finnes i bakterier, mitokondrier, plastider og som en bestanddel av det archaeal exosome (i de archaea som har et exosome ). Det kan syntetisere en 3 ′ forlengelse der de aller fleste basene er adeniner. Som i bakterier fremmer polyadenylering med polynukleotidfosforylase nedbrytning av RNA i plastider og sannsynligvis også archaea.

Utvikling

Selv om polyadenylering er sett i nesten alle organismer, er det ikke universelt. Men den brede distribusjonen av denne endringen, og det faktum at det er til stede i organismer fra alle tre domener av livet innebærer at siste universelle felles stamfar for alle levende organismer, er det antatt, hadde noen form for polyadenylation system. Noen få organismer polyolererer ikke mRNA, noe som betyr at de har mistet polyadenyleringsmaskinene sine under evolusjonen. Selv om det ikke er kjent eksempler på eukaryoter som mangler polyadenylering, mangler mRNA fra bakterien Mycoplasma gallisepticum og den salttolerante arkaiske Haloferax volcanii denne modifikasjonen.

Det eldste polyadenylerende enzymet er polynukleotidfosforylase . Dette enzymet er en del av både det bakterielle degradosomet og det archaeal exosome , to nært beslektede komplekser som resirkulerer RNA til nukleotider. Dette enzymet bryter ned RNA ved å angripe bindingen mellom de 3′-fleste nukleotidene med et fosfat og bryte av et difosfatnukleotid. Denne reaksjonen er reversibel, og derfor kan enzymet også utvide RNA med flere nukleotider. Den heteropolymeriske halen tilsatt av polynukleotidfosforylase er veldig rik på adenin. Valget av adenin er mest sannsynlig et resultat av høyere ADP -konsentrasjoner enn andre nukleotider som et resultat av bruk av ATP som energivaluta, noe som gjør det mer sannsynlig å bli inkorporert i denne halen i tidlige livsformer. Det har blitt antydet at involvering av adeninrike haler i RNA-nedbrytning førte til den senere utviklingen av polyadenylatpolymeraser (enzymer som produserer poly (A) haler uten andre nukleotider i dem).

Polyadenylatpolymeraser er ikke like gamle. De har utviklet seg separat i både bakterier og eukaryoter fra CCA-tilsettende enzym , som er enzymet som fullfører 3'-endene av tRNA . Det katalytiske domenet er homologt med det for andre polymeraser . Det antas at den horisontale overføringen av bakterielt CCA-tilsettende enzym til eukaryoter tillot det arkaealignende CCA-tilførende enzymet å bytte funksjon til en poly (A) polymerase. Noen avstamninger, som archaea og cyanobakterier , utviklet aldri en polyadenylatpolymerase.

Polyadenylere haler er observert i en rekke RNA-virus , herunder Influensa A , coronavirus , Alfalfa mosaikkvirus , og Duck Hepatitt A . Noen virus, som HIV-1 og Poliovirus , hemmer cellens poly-A-bindende protein ( PABPC1 ) for å understreke sine egne geners uttrykk over vertscellens.

Historie

Poly (A) polymerase ble først identifisert i 1960 som en enzymatisk aktivitet i ekstrakter laget av cellekjerner som kunne polymerisere ATP, men ikke ADP, til polyadenin. Selv om den er identifisert i mange celletyper, hadde denne aktiviteten ingen kjent funksjon før i 1971, da poly (A) sekvenser ble funnet i mRNA. Den eneste funksjonen til disse sekvensene ble først antatt å være beskyttelse av 3 ′ enden av RNA mot nukleaser, men senere ble de spesifikke rollene for polyadenylering i kjernefysisk eksport og oversettelse identifisert. Polymerasene som var ansvarlige for polyadenylering ble først renset og karakterisert på 1960- og 1970 -tallet, men det store antallet tilleggsproteiner som styrer denne prosessen ble først oppdaget på begynnelsen av 1990 -tallet.

Se også

• Simian virus 40 sent polyadenyleringssignal (SVLPA)

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

• Medier relatert til polyadenylering på Wikimedia Commons

((fest halen på arten))) ¿