Аргонавт
Семейство белков Argonaute , впервые обнаруженное благодаря своей эволюционно консервативной функции в стволовых клетках, [1] играет центральную роль в процессах подавления РНК как существенные компоненты комплекса подавления РНК-индуцированной активности (RISC). RISC отвечает за явление подавления генов, известное как РНК-интерференция (RNAi) . [2] Белки Argonaute связывают различные классы малых некодирующих РНК , включая микроРНК (miRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA) и взаимодействующие с Piwi РНК (piRNA). Малые РНК направляют белки Argonaute к их определенным целям посредством комплементарности последовательностей (спаривания оснований), что затем приводит к расщеплению мРНК, ингибированию трансляции и/или инициированию распада мРНК. [3]
Название этого семейства белков происходит от мутантного фенотипа, возникшего в результате мутации AGO1 в Arabidopsis thaliana , который Бомерт и др. сравнили с внешним видом пелагического осьминога Argonauta argo . [4]
| Домен Аргонавт Пиви | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | Пиви | ||||||||
| Пфам | ПФ02171 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR003165 | ||||||||
| ПРОСИТ | PS50822 | ||||||||
| CDD | cd02826 | ||||||||
| |||||||||
| Домен Аргонавт Пас | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | Пас | ||||||||
| Пфам | ПФ12212 | ||||||||
| ИнтерПро | ИПР021103 | ||||||||
| СКОП2 | b.34.14.1 / ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
РНК-интерференция
РНК-интерференция (РНКi) — это биологический процесс, при котором молекулы РНК подавляют экспрессию генов либо посредством разрушения определенных молекул мРНК, либо посредством подавления трансляции. [5] РНКi играет важную роль в защите клеток от паразитических нуклеотидных последовательностей [ требуется ссылка ] . У эукариот, включая животных, РНКi инициируется ферментом Dicer . Dicer расщепляет длинные двухцепочечные молекулы РНК (dsRNA, часто встречающиеся в вирусах и малых интерферирующих РНК ) на короткие двухцепочечные фрагменты из примерно 20 нуклеотидов siRNA. Затем dsRNA разделяется на две одноцепочечные РНК (ssRNA) — пассажирскую цепь и направляющую цепь. Впоследствии пассажирская цепь деградирует, в то время как направляющая цепь включается в комплекс подавления, индуцированный РНК (RISC). Наиболее хорошо изученным результатом РНК-интерференции является посттранскрипционное подавление генов, которое происходит, когда направляющая цепь спаривается с комплементарной последовательностью в молекуле матричной РНК и вызывает расщепление аргонавтом, который лежит в основе комплекса подавления, индуцированного РНК.
Белки Argonaute являются активной частью комплекса подавления, индуцированного РНК, расщепляя целевую цепь мРНК, комплементарную связанной с ними siRNA. [6] Теоретически Dicer производит короткие двухцепочечные фрагменты, поэтому также должны быть произведены две функциональные одноцепочечные siRNA. Но только одна из двух одноцепочечных РНК здесь будет использоваться для образования пары оснований с целевой мРНК . Она известна как направляющая цепь, которая включена в белок Argonaute и приводит к подавлению гена. Другая одноцепочечная РНК, называемая пассажирской цепью, деградирует во время процесса комплекса подавления, индуцированного РНК. [7]
После того, как Argonaute ассоциируется с малой РНК, ферментативная активность, придаваемая доменом PIWI, расщепляет только пассажирскую цепь малой интерферирующей РНК. Разделение цепи РНК и включение в белок Argonaute определяются силой взаимодействия водородных связей на 5'-концах дуплекса РНК, известной как правило асимметрии. Также степень комплементарности между двумя цепями промежуточного дуплекса РНК определяет, как miRNA сортируются в различные типы белков Argonaute.
У животных Argonaute, связанный с miRNA, связывается с 3′-нетранслируемой областью мРНК и предотвращает выработку белков различными способами. Привлечение белков Argonaute к целевой мРНК может вызывать деградацию мРНК. Комплекс Argonaute-miRNA также может влиять на формирование функциональных рибосом на 5′-конце мРНК. Здесь комплекс конкурирует с факторами инициации трансляции и/или отменяет сборку рибосом . Кроме того, комплекс Argonaute-miRNA может регулировать выработку белков, привлекая клеточные факторы, такие как пептиды или посттрансляционные модифицирующие ферменты, которые ухудшают рост полипептидов. [8]
В растениях после образования de novo двухцепочечных (ds) РНК-дуплексов с целевой мРНК неизвестный фермент, подобный РНКазе III, производит новые siRNA, которые затем загружаются в белки Argonaute, содержащие домены PIWI, в которых отсутствуют каталитические аминокислотные остатки, что может вызвать другой уровень специфического подавления генов.
Функциональные домены и механизмы
Семейство генов Argonaute (AGO) кодирует шесть характерных доменов: N-концевой (N), Linker-1 (L1), PAZ, Linker-2 (L2), Mid и C-концевой домен PIWI . [8]
Домен PAZ назван в честь Drosophila Piwi, Arabidopsis Argonaute-1 и Arabidopsis Zwille (также известного как pinhead, а позже переименованного в argonaute-10), где домен был впервые признан консервативным. Домен PAZ представляет собой модуль связывания РНК, который распознает одноцепочечные 3'-концы siRNA , miRNA и piRNA в последовательности-независимой манере.
PIWI назван в честь белка Drosophila Piwi. Структурно напоминающий RNaseH, домен PIWI необходим для целевого расщепления. Активный сайт с триадой аспартат-аспартат-глутамат содержит двухвалентный ион металла, необходимый для катализа. Члены семейства AGO, которые утратили эту консервативную особенность в ходе эволюции, лишены активности расщепления. В человеческом AGO мотив PIWI также опосредует белок-белковое взаимодействие в боксе PIWI, где он связывается с Dicer в домене RNase III. [9]
На границе доменов PIWI и Mid находится 5'-фосфат siRNA, miRNA или piRNA, который, как оказалось, необходим для функциональности. Внутри Mid находится мотив MC, гомологичная структура, предложенная для имитации мотива структуры связывания кэпа, обнаруженного в eIF4E. Позднее было обнаружено, что мотив MC не участвует в связывании кэпа мРНК [8]
Члены семьи
У людей существует восемь членов семейства AGO, некоторые из которых интенсивно исследуются. Однако, хотя AGO1–4 способны загружать miRNA, активность эндонуклеазы и, таким образом, зависимое от РНКi подавление генов принадлежит исключительно AGO2. Учитывая сохранение последовательности доменов PAZ и PIWI по всему семейству, предполагается, что уникальность AGO2 возникает либо из-за N-конца, либо из-за области пробела, связывающей мотивы PAZ и PIWI. [9]
Несколько членов семейства AGO в растениях также привлекают внимание. AGO1 участвует в деградации РНК, связанной с miRNA, и играет центральную роль в морфогенезе. В некоторых организмах он строго необходим для эпигенетического сайленсинга. Он регулируется самой miRNA. AGO4 не участвует в деградации РНК, направленной на РНКi, но в метилировании ДНК и другой эпигенетической регуляции через путь малых РНК (smRNA). AGO10 участвует в развитии растений. AGO7 имеет функцию, отличную от AGO 1 и 10, и не обнаруживается в сайленсинге генов, вызванном трансгенами. Вместо этого он связан со сроками развития у растений. [10]
Болезни и терапевтические инструменты
Сообщалось, что белки Argonaute связаны с раком. [11] [12] Для заболеваний, связанных с избирательной или повышенной экспрессией определенных идентифицированных генов, таких как рак поджелудочной железы, высокая специфичность последовательности РНК-интерференции может сделать ее подходящим лечением, особенно подходящим для борьбы с раком, связанным с мутированными эндогенными последовательностями генов. Сообщалось, что несколько крошечных некодирующих РНК (микроРНК) связаны с раком человека, например, miR-15a и miR-16a часто удаляются и/или подавляются у пациентов. Несмотря на то, что биологические функции miRNA не полностью поняты, были раскрыты роли miRNA в координации пролиферации клеток и гибели клеток во время развития и метаболизма. Считается, что miRNA могут направлять отрицательную или положительную регуляцию на разных уровнях, что зависит от конкретных miRNA и взаимодействия пар оснований мишени и кофакторов, которые их распознают. [13]
Поскольку широко известно, что многие вирусы имеют РНК, а не ДНК в качестве своего генетического материала и проходят по крайней мере одну стадию в своем жизненном цикле, когда они производят двухцепочечную РНК, РНК-интерференция считается потенциально эволюционно древним механизмом защиты организмов от вирусов. Малые интерферирующие РНК, производимые Dicer, вызывают специфичное для последовательности посттранскрипционное подавление генов, направляя эндонуклеазу, комплекс РНК-индуцированного подавления (RISC), к мРНК. Этот процесс наблюдался у широкого спектра организмов, таких как грибок Neurospora (у которого он известен как подавление), растения (посттранскрипционное подавление генов) и клетки млекопитающих (РНК-интерференция). Если существует полная или почти полная комплементарность последовательностей между малой РНК и мишенью, компонент белка Argonaute RISC опосредует расщепление целевого транскрипта, механизм включает преимущественно репрессию трансляции [ требуется ссылка ] .
Биотехнологическое применение прокариотических белков Argonaute
В 2016 году группа из Хэбэйского университета науки и технологий сообщила о редактировании генома с использованием прокариотического белка Argonaute из Natronobacterium gregoryi . Однако доказательства применения белков Argonaute в качестве ДНК-управляемых нуклеаз для редактирования генома были поставлены под сомнение, и заявление было отозвано из ведущего журнала. [14] В 2017 году группа из Иллинойсского университета сообщила об использовании прокариотического белка Argonaute, взятого из Pyrococcus furiosus (PfAgo), вместе с направляющей ДНК для редактирования ДНК in vitro в качестве искусственных рестрикционных ферментов . [15] Искусственные рестрикционные ферменты на основе PfAgo также использовались для хранения данных о нативных последовательностях ДНК с помощью ферментативного надреза. [16]
Ссылки
- ^ Cox DN, Chao A, Baker J, Chang L, Qiao D, Lin H (декабрь 1998 г.). «Новый класс эволюционно консервативных генов, определяемых piwi, необходим для самообновления стволовых клеток». Genes & Development . 12 (23): 3715– 3727. doi :10.1101/gad.12.23.3715. PMC 317255 . PMID 9851978.
- ^ Мауро М., Берретта М., Палермо Г., Кавальери В., Ла Рокка Г. (июнь 2022 г.). «Множественность комплексов Аргонавта в клетках млекопитающих». J Pharmacol Exp Ther . 384 (1): 1–9 . doi : 10.1124/jpet.122.001158 . ПМЦ 9827513 . ПМИД 35667689.
- ^ Jonas S, Izaurralde E (июль 2015 г.). «На пути к молекулярному пониманию подавления генов, опосредованного микроРНК». Nature Reviews. Genetics . 16 (7): 421– 433. doi : 10.1038/nrg3965. PMID 26077373. S2CID 24892348.
- ^ Бомерт К., Камю И., Беллини С., Буше Д., Кабош М., Беннинг С. (январь 1998 г.). «AGO1 определяет новый локус Arabidopsis, контролирующий развитие листьев». Журнал ЭМБО . 17 (1): 170–180 . doi :10.1093/emboj/17.1.170. ПМК 1170368 . ПМИД 9427751.
- ^ Guo H, Ingolia NT, Weissman JS, Bartel DP (август 2010 г.). «МикроРНК млекопитающих преимущественно действуют, снижая уровни целевой мРНК». Nature . 466 (7308): 835– 840. Bibcode :2010Natur.466..835G. doi :10.1038/nature09267. PMC 2990499 . PMID 20703300.
- ^ Купфершмидт К (август 2013). «Смертельная доза РНК». Science . 341 (6147): 732– 733. Bibcode :2013Sci...341..732K. doi : 10.1126/science.341.6147.732 . PMID 23950525.
- ^ Gregory RI, Chendrimada TP, Cooch N, Shiekhattar R (ноябрь 2005 г.). "Human RISC couples microRNA biogenesis and post-transscriptional gene silencing". Cell . 123 (4): 631– 640. doi : 10.1016/j.cell.2005.10.022 . PMID 16271387.
- ^ abc Hutvagner G, Simard MJ (январь 2008 г.). «Argonaute proteins: key players in RNA silencing». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 9 (1): 22– 32. doi : 10.1038/nrm2321. hdl : 10453/15429 . PMID 18073770. S2CID 8822503.
- ^ ab Мейстер Г., Ландталер М., Патканёвска А., Дорсетт Ю., Тенг Г., Тушл Т. (июль 2004 г.). «Человеческий Argonaute2 опосредует расщепление РНК, на которое направлены микроРНК и миРНК». Молекулярная клетка . 15 (2): 185–197 . doi : 10.1016/j.molcel.2004.07.007 . ПМИД 15260970.
- ^ Meins F, Si-Ammour A, Blevins T (2005). «Системы подавления РНК и их значение для развития растений». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 21 (1): 297– 318. doi :10.1146/annurev.cellbio.21.122303.114706. PMID 16212497.
- ^ Qiao D, Zeeman AM, Deng W, Looijenga LH, Lin H (июнь 2002 г.). «Молекулярная характеристика hiwi, человеческого представителя семейства генов piwi, повышенная экспрессия которого коррелирует с семиномами». Oncogene . 21 (25): 3988– 3999. doi :10.1038/sj.onc.1205505. PMID 12037681. S2CID 6078065.
- ^ Росс Р. Дж., Вайнер М. М., Лин Х. (январь 2014 г.). «PIWI-белки и взаимодействующие с PIWI РНК в соме». Nature . 505 (7483): 353– 359. doi :10.1038/nature12987. PMC 4265809 . PMID 24429634.
- ^ Hannon GJ (июль 2002 г.). «Интерференция РНК». Nature . 418 (6894): 244– 251. Bibcode :2002Natur.418..244H. doi : 10.1038/418244a . PMID 12110901.
- ^ Cyranoski D (2017). «Авторы отзывают спорное исследование по редактированию генов NgAgo». Nature . doi :10.1038/nature.2017.22412.
- ^ Enghiad B, Zhao H (май 2017). «Программируемые ДНК-управляемые искусственные рестрикционные ферменты». ACS Synthetic Biology . 6 (5): 752– 757. doi :10.1021/acssynbio.6b00324. PMID 28165224. S2CID 3833124.
- ^ Tabatabaei SK, Wang B, Athreya NB, Enghiad B, Hernandez AG, Fields CJ и др. (апрель 2020 г.). «ДНК-перфокарты для хранения данных о нативных последовательностях ДНК с помощью ферментативного никинга». Nature Communications . 11 (1): 1742. Bibcode :2020NatCo..11.1742T. doi :10.1038/s41467-020-15588-z. PMC 7142088 . PMID 32269230.
Внешние ссылки
