RNA -bindende protein - RNA-binding protein
RNA-bindende proteiner (ofte forkortet som RBP ) er proteiner som binder seg til det dobbelt- eller enkelttrådede RNA i celler og deltar i dannelsen av ribonukleoproteinkomplekser . RBP inneholder forskjellige strukturelle motiver , for eksempel RNA -gjenkjenningsmotiv (RRM), dsRNA -bindende domene , sinkfinger og andre. De er cytoplasmatiske og kjernefysiske proteiner. Siden imidlertid det mest modne RNA eksporteres fra kjernen relativt raskt, eksisterer de fleste RBP i kjernen som komplekser av protein og pre-mRNA kalt heterogene ribonukleoproteinpartikler (hnRNP). RBP har avgjørende roller i forskjellige mobilprosesser som: mobilfunksjon, transport og lokalisering. De spiller spesielt en stor rolle i post-transkripsjonell kontroll av RNA, for eksempel: spleising , polyadenylering , mRNA- stabilisering, mRNA- lokalisering og oversettelse . Eukaryote celler koder for forskjellige RBP, omtrent 500 gener, med unik RNA-bindende aktivitet og protein-protein-interaksjon . Under evolusjonen økte mangfoldet av RBPer sterkt med økningen i antall introner . Mangfold gjorde det mulig for eukaryote celler å bruke RNA -eksoner i forskjellige ordninger, noe som ga opphav til et unikt RNP (ribonukleoprotein) for hvert RNA. Selv om RBP har en avgjørende rolle i post-transkripsjonell regulering i genuttrykk, har relativt få RBP blitt studert systematisk.
Struktur
Mange RBP har modulære strukturer og består av flere gjentakelser av bare noen få spesifikke grunnleggende domener som ofte har begrensede sekvenser. Disse sekvensene blir deretter arrangert i varierende kombinasjoner for å oppfylle behovet for mangfold. Et spesifikt proteins anerkjennelse av et spesifikt RNA har utviklet seg gjennom omorganisering av disse få grunnleggende domenene. Hvert grunnleggende domene gjenkjenner RNA, men mange av disse proteinene krever flere kopier av et av de mange vanlige domenene for å fungere.
Mangfold
Når kjernefysisk RNA kommer ut av RNA-polymerase , blir RNA-transkripsjoner umiddelbart dekket med RNA-bindende proteiner som regulerer alle aspekter av RNA-metabolisme og funksjon, inkludert RNA-biogenese, modning, transport, cellulær lokalisering og stabilitet. Alle RBP-er binder RNA, men de gjør det med forskjellige RNA-sekvensspesifisiteter og affiniteter, noe som gjør at RBP-ene kan være like forskjellige som sine mål og funksjoner. Disse målene inkluderer mRNA , som koder for proteiner, samt en rekke funksjonelle ikke-kodende RNA . NcRNA fungerer nesten alltid som ribonukleoproteinkomplekser og ikke som nakne RNA. Disse ikke-kodende RNAene inkluderer mikroRNA , små interfererende RNA (siRNA), samt splicesomale små kjernefysiske RNA (snRNA).
Funksjon
RNA -behandling og modifisering
Alternativ spleising
Alternativ spleising er en mekanisme der forskjellige former for modne mRNA (messenger RNA) genereres fra det samme genet . Det er en reguleringsmekanisme der variasjoner i inkorporering av eksonene i mRNA fører til produksjon av mer enn ett beslektet protein, og dermed utvider mulige genomiske utganger. RBPer fungerer mye i reguleringen av denne prosessen. Noen bindingsproteiner som neuronale spesifikke RNA-bindende proteiner, nemlig NOVA1 , styrer alternativ spleising av et delsett av hnRNA ved å gjenkjenne og binde til en spesifikk sekvens i RNA (YCAY hvor Y indikerer pyrimidin, U eller C). Disse proteinene rekrutterer deretter splicesomale proteiner til dette målstedet. SR proteiner er også vel kjent for sin rolle i alternativ spleising gjennom rekruttering av snRNPer som danner splicesome , nemlig U1 snRNP og U2AF snRNP. Imidlertid er RBP også en del av selve splicesome. Splicesome er et kompleks av snRNA- og proteinunderenheter og fungerer som det mekaniske middelet som fjerner introner og ligerer de flankerende eksonene. Annet enn kjernespleksomkompleks, binder RBPer seg også til stedene for Cis -virkende RNA -elementer som påvirker eksons inkludering eller eksklusjon under spleising. Disse nettstedene kalles exonic splicing enhancers (ESEs), exonic splicing silencers (ESSs), intronic splicing enhancers (ISEs) og intronic splicing silencers (ISS), og avhengig av bindingssted, fungerer RBP -er som spleisningsdempere eller forsterkere.
RNA -redigering
Den mest grundig studerte formen for RNA -redigering involverer ADAR -proteinet . Dette proteinet fungerer gjennom post-transkripsjonell modifikasjon av mRNA-transkripsjoner ved å endre nukleotidinnholdet i RNA. Dette gjøres gjennom omdannelse av adenosin til inosin i en enzymatisk reaksjon katalysert av ADAR. Denne prosessen endrer effektivt RNA -sekvensen fra den som er kodet av genomet og utvider mangfoldet av genproduktene. Flertallet av RNA-redigering skjer på ikke-kodende regioner av RNA; Imidlertid har noen proteinkodende RNA-transkripsjoner vist seg å bli redigert, noe som resulterer i en forskjell i proteinets aminosyresekvens. Et eksempel på dette er glutamatreseptoren mRNA der glutamin omdannes til arginin, noe som fører til en endring i proteinets funksjonalitet.
Polyadenylering
Polyadenylering er tilsetningen av en "hale" av adenylatrester til et RNA -transkripsjon omtrent 20 baser nedstrøms AAUAAA -sekvensen i den tre primære utranslaterte regionen . Polyadenylering av mRNA har en sterk virkning på dets atom transport , oversettelse effektivitet og stabilitet. Alle disse så vel som prosessen med polyadenylering er avhengig av binding av spesifikke RBPer. Alle eukaryote mRNAer med få unntak behandles for å motta 3 'poly (A) haler på omtrent 200 nukleotider. Et av de nødvendige proteinkompleksene i denne prosessen er CPSF . CPSF binder seg til 3'-halen (AAUAAA) sekvens og rekrutterer og stimulerer aktiviteten til poly (A) polymerase sammen med et annet protein kalt poly (A) -bindende protein . Poly (A) polymerase er inaktiv alene og krever binding av disse andre proteinene for å fungere skikkelig.
Eksport
Etter at behandlingen er fullført, må mRNA transporteres fra cellekjernen til cytoplasma . Dette er en tretrinnsprosess som involverer generering av et lastbærerkompleks i kjernen etterfulgt av translokasjon av komplekset gjennom atomporekomplekset og til slutt frigjøring av lasten til cytoplasma. Bæreren resirkuleres deretter. TAP/NXF1: p15 heterodimer antas å være nøkkelspilleren innen mRNA -eksport. Overuttrykk av TAP i Xenopus laevis frosker øker eksporten av transkripsjoner som ellers er ineffektivt eksportert. TAP trenger imidlertid adapterproteiner fordi den ikke kan samhandle direkte med mRNA. Aly/REF -protein samhandler og binder seg til mRNA -rekrutterings -TAP.
mRNA -lokalisering
mRNA -lokalisering er avgjørende for regulering av genuttrykk ved å tillate romlig regulert proteinproduksjon. Gjennom mRNA -lokalisering transkriberes proteiner på det tiltenkte målstedet til cellen. Dette er spesielt viktig under tidlig utvikling når raske cellespaltinger gir forskjellige celler forskjellige kombinasjoner av mRNA som deretter kan føre til drastisk forskjellige celleskjebner. RBP er avgjørende for lokaliseringen av dette mRNA at forsikringer om at proteiner bare transkriberes i de tiltenkte regionene. Et av disse proteinene er ZBP1 . ZBP1 binder seg til beta-aktin mRNA på transkripsjonsstedet og beveger seg med mRNA inn i cytoplasma. Det lokaliserer deretter dette mRNA til lamellregionen av flere asymmetriske celletyper hvor det deretter kan oversettes. FMRP er en annen RBP involvert i RNA -lokalisering. Det ble vist at i tillegg til andre funksjoner for FMRP i RNA-metabolisme, er FMRP involvert i stimulus-indusert lokalisering av flere dendritiske mRNA i nevronale dendritter.
Oversettelse
Translasjonsregulering gir en rask mekanisme for å kontrollere genuttrykk. I stedet for å kontrollere genuttrykk på transkripsjonelt nivå, er mRNA allerede transkribert, men rekrutteringen av ribosomer kontrolleres. Dette tillater rask generering av proteiner når et signal aktiverer oversettelse. ZBP1 er i tillegg til sin rolle i lokaliseringen av B-aktin mRNA også involvert i translasjonsundertrykkelsen av beta-aktin mRNA ved å blokkere oversettelsesinitiering. ZBP1 må fjernes fra mRNA for at ribosomet skal kunne binde seg ordentlig og oversettelsen kan begynne.
Protein -RNA -interaksjoner
RNA-bindende proteiner viser svært spesifikk gjenkjenning av sine RNA-mål ved å gjenkjenne deres sekvenser og strukturer. Spesifikk binding av RNA-bindende proteiner lar dem skille mellom målene og regulere en rekke cellulære funksjoner via kontroll av generering, modning og levetid for RNA-transkripsjonen. Denne interaksjonen begynner under transkripsjon ettersom noen RBP forblir bundet til RNA til nedbrytning, mens andre bare forbigående binder seg til RNA for å regulere RNA -spleising , behandling, transport og lokalisering. I denne delen vil tre klasser av de mest studerte RNA-bindende domenene (RNA-gjenkjenningsmotiv, dobbeltstrenget RNA-bindende motiv, sink-finger-motiv) bli diskutert.
RNA-gjenkjenningsmotiv (RRM)
Den RNA gjenkjennelse motiv , som er den mest vanlige RNA-bindingsmotiv, er et lite protein domene fra 75-85 aminosyrer som danner en fire-trådet β-ark mot de to a-helikser. Dette gjenkjenningsmotivet utøver sin rolle i en rekke mobilfunksjoner, spesielt i mRNA/rRNA -prosessering, spleising, translasjonsregulering, RNA -eksport og RNA -stabilitet. Ti strukturer av en RRM er identifisert gjennom NMR-spektroskopi og røntgenkrystallografi . Disse strukturene illustrerer kompleksiteten ved protein -RNA -gjenkjenning av RRM ettersom det innebærer RNA -RNA og protein -protein -interaksjoner i tillegg til protein -RNA -interaksjoner. Til tross for kompleksiteten har alle de ti strukturene noen fellestrekk. Alle RRMs hovedproteinoverflaters firestrengede β-ark ble funnet å samhandle med RNA, som vanligvis kontakter to eller tre nukleotider på en bestemt måte. I tillegg oppnås sterk RNA-bindingsaffinitet og spesifisitet for variasjon gjennom en interaksjon mellom interdomenelinken og RNA og mellom RRM-er selv. Denne plastisiteten til RRM forklarer hvorfor RRM er det mest utbredte domenet og hvorfor det spiller en viktig rolle i ulike biologiske funksjoner.
Dobbeltstrenget RNA-bindende motiv
| Dobbeltstrenget RNA-bindende motiv | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 dsRBD fra rotte ADAR2 -protein ( PDB : 2b7t ).
| |||||||||
| Identifikatorer | |||||||||
| Symbol | drrm | ||||||||
| Pfam | PF14709 | ||||||||
| Pfam klanen | CL0196 | ||||||||
| InterPro | IPR014720 | ||||||||
| CATH | 1di2 | ||||||||
| SCOP2 | 1di2 / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| Bruk Pfam -klanen for den homologe superfamilien. | |||||||||
Det dobbeltstrengede RNA-bindende motivet (dsRM, dsRBD), et 70–75 aminosyredomene, spiller en kritisk rolle i RNA-prosessering , RNA- lokalisering , RNA-interferens , RNA-redigering og translasjonell undertrykkelse. Alle tre strukturer i domenet løst fra 2005 har forenende funksjoner som forklarer hvordan dsRM bare binder seg til dsRNA i stedet for dsDNA. DsRMene ble funnet å samhandle langs RNA-dupleksen via både a-helixer og β1-β2-sløyfe. Videre kommer alle tre dsRBM-strukturer i kontakt med sukker-fosfat-ryggraden i hovedsporet og med et mindre spor, som formidles av β1-β2-sløyfen sammen med N-terminalregionen i alfa-helixen 2. Denne interaksjonen er en unik tilpasning for formen på en RNA dobbel helix da den involverer 2'-hydroksyler og fosfat oksygen. Til tross for de vanlige strukturelle trekkene blant dsRBM, viser de forskjellige kjemiske rammer, noe som tillater spesifisitet for en rekke for RNA-strukturer, inkludert stamme-sløyfer, interne sløyfer, buler eller spiraler som inneholder feil.
Sinkfingre
Sink-finger- domener av CCHH-type er det vanligste DNA-bindende domenet i det eukaryote genomet . For å oppnå høy sekvens-spesifikk gjenkjenning av DNA, brukes flere sinkfingre modulært. Sinkfingre viser ββα-proteinfold der en β-hårnål og en α-helix er forbundet sammen via en Zn2+
ion. Videre gir samspillet mellom proteinsidekjeder av a-helixen med DNA-basene i hovedsporet mulighet for DNA-sekvens-spesifikk gjenkjenning. Til tross for den brede anerkjennelsen av DNA, har det vært nylige funn at sinkfingre også har evnen til å gjenkjenne RNA. I tillegg til CCHH sinkfingre, ble CCCH sinkfingre nylig oppdaget å anvende sekvensspesifikk gjenkjenning av enkeltstrenget RNA gjennom en interaksjon mellom intermolekylære hydrogenbindinger og Watson-Crick-kanter på RNA-basene. Sinkfingre av CCHH-type benytter to metoder for RNA-binding. For det første utøver sinkfingrene uspesifikk interaksjon med ryggraden i en dobbel helix, mens den andre modusen tillater sinkfingre å gjenkjenne de individuelle basene som bukker ut. Forskjellig fra CCHH-typen, viser sinkfingeren av CCCH-typen en annen modus for RNA-binding, der enkeltstrenget RNA identifiseres på en sekvens-spesifikk måte. Totalt sett kan sinkfingre gjenkjenne DNA direkte via binding til dsDNA -sekvens og RNA via binding til ssRNA -sekvens.
Roll i embryonal utvikling
RNA-bindende proteiners transkripsjonelle og post-transkripsjonelle regulering av RNA har en rolle i å regulere mønstrene for genuttrykk under utvikling. Omfattende forskning på nematoden C. elegans har identifisert RNA-bindende proteiner som viktige faktorer under germline og tidlig embryonal utvikling. Deres spesifikke funksjon innebærer utvikling av somatiske vev ( nevroner , hypodermis , muskler og utskillelsesceller) i tillegg til å gi timingstegn for utviklingshendelsene. Likevel er det usedvanlig utfordrende å oppdage mekanismen bak RBPs funksjon i utvikling på grunn av vanskeligheten med å identifisere deres RNA -mål. Dette er fordi de fleste RBP vanligvis har flere RNA -mål. Imidlertid er det udiskutabelt at RBP utøver en kritisk kontroll for å regulere utviklingsveier på en samordnet måte.
Germline utvikling
I Drosophila melanogaster , Elav, sxl og tra-2, er RNA-bindende protein kodende genene som er kritiske i den tidlige kjønnsbestemmelse og vedlikehold av somatiske seksuell tilstand. Disse genene pålegger effekter på post-transkripsjonelt nivå ved å regulere kjønnsspesifikk spleising i Drosophila . Sxl utøver positiv regulering av det feminiserende genet tra for å produsere et funksjonelt tra mRNA hos kvinner. I C. elegans regulerer RNA-bindende proteiner inkludert FOG-1, MOG-1/-4/-5 og RNP-4 kimlinje og somatisk kjønnsbestemmelse. Videre utøver flere RBPer som GLD-1, GLD-3, DAZ-1, PGL-1 og OMA-1/-2 sine regulatoriske funksjoner under meiotisk profase- progresjon, gametogenese og oocyttmodning .
Somatisk utvikling
I tillegg til RBPs funksjoner i kimlinjeutvikling, spiller post-transkripsjonell kontroll også en betydelig rolle i somatisk utvikling. Forskjellig fra RBP-er som er involvert i kimlinje og tidlig embryoutvikling, regulerer RBPer som fungerer i somatisk utvikling vevsspesifikk alternativ spleising av mRNA-målene. For eksempel lokaliserer MEC-8 og UNC-75 inneholdende RRM-domener seg til regioner i henholdsvis hypodermis og nervesystem. Videre avsløres en annen RRM-inneholdende RBP, EXC-7, for å lokalisere seg i embryonale ekskresjonskanalceller og i hele nervesystemet under somatisk utvikling.
Neuronal utvikling
ZBP1 ble vist å regulere dendritogenesis ( dendritt- dannelse) i hippocampus-neuroner. Andre RNA-bindende proteiner involvert i dendritdannelse er Pumilio og Nanos, FMRP , CPEB og Staufen 1
Rolle i kreft
RBPer vokser frem for å spille en avgjørende rolle i tumorutvikling. Hundrevis av RBP er markert dysregulert på tvers av kreft hos mennesker og viste dominerende nedregulering i svulster relatert til normalt vev. Mange RBP -er uttrykkes differensielt i forskjellige krefttyper, for eksempel KHDRBS1 (Sam68), ELAVL1 (HuR), FXR1 og UHMK1 . For noen RBP er endringen i uttrykk relatert til Copy Number Variations (CNV), for eksempel CNV -gevinster av BYSL i tykktarmskreftceller og ESRP1, CELF3 ved brystkreft, RBM24 ved leverkreft, IGF2BP2, IGF2BP3 ved lungekreft eller CNV -tap av KHDRBS2 ved lungekreft. Noen uttrykksendringer er årsak på grunn av protein som påvirker mutasjoner på disse RBPene, for eksempel NSUN6, ZC3H13, ELAC1, RBMS3 og ZGPAT, SF3B1, SRSF2, RBM10, U2AF1, SF3B1, PPRC1, RBMXL1, HNRNPCL1 etc. Flere studier har relatert dette uttrykk for RBP til avvikende alternativ spleising ved kreft.
Aktuell forskning
Siden RNA-bindende proteiner utøver betydelig kontroll over mange mobilfunksjoner, har de vært et populært undersøkelsesområde for mange forskere. På grunn av sin betydning i det biologiske feltet, har det nylig blitt avdekket mange funn om RNA-bindende proteiners potensialer. Nylig utvikling i eksperimentell identifisering av RNA-bindende proteiner har utvidet antallet RNA-bindende proteiner betydelig
RNA-bindende protein Sam68 styrer den romlige og tidsmessige oppdelingen av RNA- metabolisme for å oppnå riktig synaptisk funksjon i dendritter . Tap av Sam68 resulterer i unormal posttranskripsjonell regulering og fører til slutt til nevrologiske lidelser som skjør X-assosiert tremor/ataksi syndrom . Det ble funnet at Sam68 interagerer med mRNA som koder for β-aktin , som regulerer den synaptiske dannelsen av de dendritiske ryggradene med sine cytoskjelettkomponenter . Derfor spiller Sam68 en kritisk rolle i regulering av synapsetall via kontroll av postsynaptisk β-aktin mRNA-metabolisme.
Neuronspesifikt CELF-familie RNA-bindende protein UNC-75 binder seg spesifikt til UUGUUGUGUUGU mRNA-strekningen via sine tre RNA-gjenkjenningsmotiver for ekson 7a-utvalget i C. elegans ' nevronceller. Ettersom ekson 7a hoppes over på grunn av dets svake spleisesteder i ikke-neuronale celler, ble det funnet at UNC-75 spesifikt aktiverer spleising mellom ekson 7a og ekson 8 bare i nevroncellene.
Det kalde induserbare RNA -bindende proteinet CIRBP spiller en rolle i å kontrollere den cellulære responsen når den konfronterer en rekke cellulære påkjenninger, inkludert ultrafiolett lys med kort bølgelengde , hypoksi og hypotermi . Denne forskningen ga potensielle implikasjoner for sammenhengen mellom sykdomstilstander og betennelse.
Serin-arginin-familien av RNA-bindende protein Slr1 ble funnet å ha kontroll over den polariserte veksten i Candida albicans . Slr1-mutasjoner hos mus resulterer i redusert filamentasjon og reduserer skade på epitel- og endotelceller som fører til forlenget overlevelsesrate sammenlignet med Slr1-villtypestammer. Derfor avslører denne forskningen at SR-lignende protein Slr1 spiller en rolle i å starte den hyfale formasjonen og virulensen hos C. albicans .
Se også
Eksterne linker
- starBase-plattform : en plattform for dekoding av bindingssteder for RNA-bindende proteiner (RBP) fra datasett i stor skala CLIP-Seq (HITS-CLIP, PAR-CLIP, iCLIP, CLASH).
- RBPDB -database : en database med RNA -bindende proteiner.
- oRNAment : en database over antatte RBP-bindingsstedforekomster i både kodende og ikke-kodende RNA i forskjellige arter.
- ATtRACt -database : en database med RNA -bindende proteiner og tilhørende motiver.
- SplicedAid -F : en database med database med håndkornede humane RNA -bindende proteiner.
- RsiteDB : RNA -bindingssteddatabase
- SPOT-Seq-RNA : Malbasert prediksjon av RNA-bindende proteiner og deres komplekse strukturer.
- SPOT-Struct-RNA : RNA-bindende proteiner prediksjon fra 3D-strukturer.
- ENCODE Project : En samling av genomiske datasett (dvs. RNA Bind-n-seq, eCLIP, RBP-målrettet shRNA RNA-seq) for RBPer
- RBP bildedatabase : Bildene viser den cellulære lokalisering av RBPs i cellene