В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения )
|
Направляющая РНК (гРНК) или одинарная направляющая РНК (сгРНК) — это короткая последовательность РНК , которая функционирует как направляющая для Cas9 -эндонуклеазы или других Cas-белков [1] , которые разрезают двухцепочечную ДНК и, таким образом, могут использоваться для редактирования генов. [2] У бактерий и архей гРНК являются частью системы CRISPR -Cas, которая служит адаптивной иммунной защитой, защищающей организм от вирусов. Здесь короткие гРНК служат детекторами чужеродной ДНК и направляют Cas-ферменты, которые разрушают чужеродную нуклеиновую кислоту. [1] [3]
Руководство по редактированию РНК РНК было открыто в 1990 году Б. Блюмом, Н. Бакаларой и Л. Симпсоном с помощью гибридизации Northern Blot в митохондриальной максикольцевой ДНК эукариотического паразита Leishmania tarentolae. Последующие исследования в середине 2000-х и в последующие годы изучали структуру и функцию gRNA и системы CRISPR-Cas. Значительный прорыв произошел в 2012 году, когда было обнаружено, что gRNA может направлять эндонуклеазу Cas9 для внесения специфичных для цели разрезов в двухцепочечную ДНК. Это открытие привело к Нобелевской премии 2020 года, присужденной Дженнифер Дудне и Эммануэль Шарпантье за их вклад в разработку технологии редактирования генов CRISPR-Cas9.
У трипаносоматидных простейших и других кинетопластид есть процесс посттранскрипционной модификации РНК, известный как «редактирование РНК», который выполняет вставку/удаление уридина внутри митохондрий . [4] [5] Эта митохондриальная ДНК является кольцевой и разделена на максикруги и миникруги. Митохондрия содержит около 50 максикругов , которые имеют как кодирующие, так и некодирующие области и состоят приблизительно из 20 килооснований (кб). Кодирующая область высококонсервативна (16-17 кб), а некодирующая область варьируется в зависимости от вида. Миникруги небольшие (около 1 кб), но более многочисленные, чем максикруги, митохондрия содержит несколько тысяч миникругов. [6] [7] [8] Максикруги могут кодировать « криптогены » и некоторые гРНК; миникруги могут кодировать большинство гРНК. Некоторые гены gRNA показывают идентичные сайты вставки и удаления, даже если они имеют разные последовательности, тогда как другие последовательности gRNA не комплементарны предварительно отредактированной мРНК. Молекулы максикругов и миникругов объединены в гигантскую сеть ДНК внутри митохондрии. [9] [8] [10]
Большинство транскриптов maxicircle не могут быть транслированы в белки из-за сдвигов рамки в их последовательностях. Эти сдвиги рамки корректируются посттранскрипционно посредством вставки и удаления остатков уридина в точных местах, которые затем создают открытую рамку считывания . Эта открытая рамка считывания впоследствии транслируется в белок, который гомологичен митохондриальным белкам, обнаруженным в других клетках. [11] Процесс вставки и удаления уридина опосредуется короткими направляющими РНК (gRNA), которые кодируют информацию о редактировании через комплементарные последовательности и допускают спаривание оснований между гуанином и урацилом (GU), а также между гуанином и цитозином (GC), облегчая процесс редактирования. [12]
Направляющие РНК в основном транскрибируются из межгенной области максикруга ДНК и имеют последовательности, комплементарные мРНК. 3'-конец гРНК содержит олиго-хвост 'U' (длиной 5-24 нуклеотида), который находится в некодируемой области, но взаимодействует и образует стабильный комплекс с богатыми A и G областями предварительно отредактированной мРНК и гРНК, которые термодинамически стабилизированы 5'- и 3'-якорями. [13] Этот начальный гибрид помогает распознавать определенный участок мРНК, который нужно отредактировать. [14]
Редактирование РНК обычно происходит от 3'-конца к 5'-концу мРНК. Начальный процесс редактирования начинается, когда гРНК образует дуплекс РНК с комплементарной последовательностью мРНК, расположенной сразу за сайтом редактирования. Это спаривание привлекает ряд рибонуклеопротеиновых комплексов, которые направляют расщепление первого несовпадающего основания, прилегающего к якорю гРНК-мРНК. После этого уридилтрансфераза вставляет 'U' на 3'-конце, а затем РНК-лигаза соединяет два разрезанных конца. Процесс повторяется на следующем сайте редактирования выше по течению аналогичным образом. Одна гРНК обычно кодирует информацию для нескольких сайтов редактирования (редактирование «блока»), редактирование которого производит полный дуплекс гРНК/мРНК. Этот процесс последовательного редактирования известен как каскадная модель ферментов. [14] [12] [15]
В случае «пан-редактированных» мРНК [16] дуплекс раскручивается, и другая гРНК образует дуплекс с отредактированной последовательностью мРНК, инициируя еще один раунд редактирования. Эти перекрывающиеся гРНК образуют «домен» редактирования. Некоторые гены содержат несколько доменов редактирования. [17] Степень редактирования для любого конкретного гена различается среди видов трипаносоматид. Изменение заключается в потере редактирования на стороне 3', вероятно, из-за потери классов миникольцевых последовательностей, которые кодируют определенные гРНК. Была предложена ретропозиционная [18] модель для объяснения частичной, а в некоторых случаях и полной потери редактирования в ходе эволюции. Хотя потеря редактирования обычно летальна, такие потери наблюдались в старых лабораторных штаммах. Поддержание редактирования на протяжении долгой эволюционной истории этих древних протистов предполагает наличие селективного преимущества, точная природа которого до сих пор не определена. [16]
Неясно, почему трипаносоматиды используют такой сложный механизм для производства мРНК. Он мог возникнуть в ранних митохондриях предка кинтопластидной протистической линии, поскольку он присутствует у бодонид, которые являются предками трипаносоматид, [19] и может не присутствовать у эвгленоидей , которые произошли от того же общего предка, что и кинетопластиды.
У простейшего Leishmania tarentolae 12 из 18 митохондриальных генов редактируются с помощью этого процесса. Одним из таких генов является Cyb. Фактически мРНК редактируется дважды подряд. Для первого редактирования соответствующая последовательность мРНК выглядит следующим образом:
мРНК 5' AAAGAAAAGGCUUUAACUUCAGGUUGU 3'
3'-конец используется для закрепления gRNA (gCyb-I gRNA в данном случае) путем спаривания оснований (используются некоторые пары G/U). 5'-конец не совпадает в точности, и одна из трех специфических эндонуклеаз расщепляет мРНК в месте несовпадения.
гРНК 3' ААУАААААААУУУУАААААААААААААААУГААГУУКАГУА 5'мРНК 5' AA AGAAA AGGC UUUAACUUCAGGUUGU 3'
Теперь мРНК «ремонтируется» путем последовательного добавления U в каждом месте редактирования, что дает следующую последовательность:
гРНК 3' ААУАААААААУУУУАААААААААААААААУГААГУУКАГУА 5'мРНК 5' УУАУААУУАГАААААУУУАУГУУГУКУУУУААКУУКАГГУУГУ 3'
Этот конкретный ген имеет два перекрывающихся участка редактирования gRNA. 5'-конец этого участка является 3'-якорем для другой gRNA (gCyb-II gRNA). [9]
Прокариоты, такие как бактерии и археи, используют CRISPR (кластеризованные регулярно интерспейсированные короткие палиндромные повторы) и связанные с ним ферменты Cas в качестве своей адаптивной иммунной системы. Когда прокариоты инфицированы фагами и им удается отразить атаку, специфические ферменты Cas разрезают ДНК фага (или РНК) и интегрируют фрагменты в промежутки последовательности CRISPR. Эти сохраненные сегменты затем распознаются во время будущих вирусных атак, что позволяет ферментам Cas использовать РНК-копии этих сегментов вместе с их связанными последовательностями CRISPR в качестве gRNA для идентификации и нейтрализации чужеродных последовательностей. [20] [21] [22]
Направляющая РНК нацеливается на комплементарные последовательности с помощью простого спаривания оснований Уотсона-Крика. [23] В системе CRISPR/cas типа II sgRNA направляет фермент Cas на целевые области генома для целевого расщепления ДНК. sgRNA представляет собой искусственно созданную комбинацию двух молекул РНК: CRISPR РНК ( crRNA ) и трансактивирующей crRNA ( tracrRNA ). Компонент crRNA отвечает за связывание с целевой областью ДНК, в то время как компонент tracrRNA отвечает за активацию эндонуклеазной активности Cas9. Эти два компонента связаны короткой тетрапетлевой структурой, что приводит к образованию sgRNA. TracrRNA состоит из пар оснований, которые образуют структуру стебель-петля, что позволяет ей прикрепляться к ферменту эндонуклеазы . Транскрипция локуса CRISPR генерирует crRNA, которая содержит спейсерные области, фланкированные последовательностями повторов, обычно длиной 18-20 пар оснований (п.н.). Эта crRNA направляет эндонуклеазу Cas9 к комплементарному целевому региону на ДНК, где она расщепляет ДНК, образуя то, что известно как эффекторный комплекс. Модификации в последовательности crRNA в sgRNA могут изменить место связывания, позволяя точно нацеливаться на различные регионы ДНК, фактически делая ее программируемой системой для редактирования генома. [24] [25] [26]
Специфичность нацеливания CRISPR-Cas9 определяется 20-нуклеотидной (нт) последовательностью на 5'-конце gRNA. Желаемая целевая последовательность должна предшествовать Protospacer Adjacent Motif (PAM), который представляет собой короткую последовательность ДНК, обычно длиной 2-6 пар оснований, которая следует за областью ДНК, предназначенной для расщепления системой CRISPR, такой как CRISPR-Cas9. PAM требуется для разрезания нуклеазой Cas и обычно располагается на 3-4 нуклеотида ниже по течению от места разрезания. Как только основание gRNA спаривается с целью, Cas9 вызывает двухцепочечный разрыв примерно на 3 нуклеотида выше PAM. [27] [28]
Оптимальное содержание GC в направляющей последовательности должно быть более 50%. Более высокое содержание GC повышает стабильность дуплекса РНК-ДНК и снижает нецелевую гибридизацию. Длина направляющих последовательностей обычно составляет 20 п.н., но может также варьироваться от 17 до 24 п.н. Более длинная последовательность минимизирует нецелевые эффекты. Направляющие последовательности короче 17 п.н. подвержены риску нацеливания на несколько локусов . [29] [30] [24]
CRISPR (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные кластерами)/Cas9 — это метод, используемый для редактирования генов и генной терапии. Cas — это фермент эндонуклеаза, который разрезает ДНК в определенном месте, указанном направляющей РНК. Это метод, специфичный для мишени, который может вводить нокауты или нокины генов в зависимости от пути репарации двухцепочечной ДНК. Данные показывают, что как in vitro, так и in vivo, для связывания Cas9 с целевой последовательностью ДНК требуется tracrRNA. Система CRISPR-Cas9 состоит из трех основных этапов. Первый этап включает расширение оснований в области локуса CRISPR путем добавления чужеродных спейсеров ДНК в последовательность генома. Такие белки, как cas1 и cas2, помогают в поиске новых спейсеров. Следующий этап включает транскрипцию CRISPR: pre-crRNA (предшественник CRISPR РНК) экспрессируется путем транскрипции массива повторов-спейсеров CRISPR. При дальнейшей модификации pre-crRNA преобразуется в области с одним спейсером, фланкированные, образуя короткую crRNA. Процесс созревания РНК похож в типах I и III, но отличается в типе II. Третий этап включает связывание белка cas9 и направление его на расщепление сегмента ДНК. Белок Cas9 связывается с объединенной формой crRNA и tracrRNA, образуя эффекторный комплекс. Это служит направляющей РНК для белка cas9, направляя его эндонуклеазную активность. [31] [2] [3]
Одним из важных методов регуляции генов является мутагенез РНК, который может быть введен посредством редактирования РНК с помощью gRNA. [32] Направляющая РНК заменяет аденозин на инозин в определенных целевых участках, изменяя генетический код. [33] Аденозиндезаминаза действует на РНК, внося посттранскрипционную модификацию путем изменения кодонов и различных функций белков. Направляющие РНК представляют собой небольшие ядрышковые РНК, которые вместе с рибопротеинами выполняют внутриклеточные изменения РНК, такие как рибометилирование в рРНК и введение псевдоуридина в прерибосомальную РНК. [34] Направляющие РНК связываются с антисмысловой последовательностью РНК и регулируют модификацию РНК. Было замечено, что малые интерферирующие РНК (siRNA) и микроРНК (miRNA) обычно используются в качестве целевых последовательностей РНК, и модификации сравнительно легко вводить из-за их небольшого размера. [35]
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)