РНК-носитель-трансфер | |
---|---|
Идентификаторы | |
Символ | тмРНК |
Рфам | РФ00023 |
Другие данные | |
Тип РНК | ген |
Структуры PDB | ПДБе |
Трансферная мРНК (сокращенно тмРНК , также известная как 10Sa РНК и по своему генетическому названию SsrA ) представляет собой бактериальную молекулу РНК с двойными свойствами тРНК -подобными и матричной РНК- подобными. ТмРНК образует рибонуклеопротеиновый комплекс ( тмРНП ) вместе с малым белком B (SmpB), фактором элонгации Tu ( EF-Tu ) и рибосомальным белком S1. При транс -трансляции тмРНК и связанные с ней белки связываются с бактериальными рибосомами , которые остановились в середине биосинтеза белка , например, при достижении конца матричной РНК, которая потеряла свой стоп-кодон. ТмРНК удивительно универсальна: она перерабатывает остановившуюся рибосому, добавляет метку, индуцирующую протеолиз, к незавершенному полипептиду и облегчает деградацию аберрантной матричной РНК . [1] У большинства бактерий эти функции выполняются стандартными однокомпонентными тмРНК. У других видов бактерий пермутированный ген ssrA производит двухкомпонентную тмРНК, в которой две отдельные цепи РНК соединены спариванием оснований.
tmRNA была впервые обозначена как 10Sa РНК в 1979 году после того, как смешанная электрофоретическая фракция "10S" РНК Escherichia coli была далее разделена на tmRNA и РНК РНКазы P аналогичного размера (10Sb). [2] Присутствие псевдоуридина в смешанной 10S РНК намекало на то, что tmRNA имеет модифицированные основания, обнаруженные также в tRNA . Сходство 3'-конца tmRNA с петлей T tRNA было впервые обнаружено при секвенировании ssrA из Mycobacterium tuberculosis . [3] Последующее сравнение последовательностей выявило полный tRNA-подобный домен (TLD), образованный 5'- и 3'- концами tmRNA, включая акцепторный стебель с элементами, подобными тем, что находятся в аланиновой tRNA, которые способствуют ее аминоацилированию аланин-tRNA-лигазой . [4] Также были выявлены отличия от тРНК : в тмРНК отсутствует антикодоновая часть, а область D-части представляет собой петлю без пар оснований.
Полная вторичная структура тмРНК E. coli была выяснена с помощью сравнительного анализа последовательностей и структурного зондирования . [5] [6] Пары оснований Уотсона-Крика и GU были идентифицированы путем сравнения последовательностей бактериальной тмРНК с использованием автоматизированных вычислительных методов в сочетании с ручными процедурами выравнивания . [7] [8] На прилагаемом рисунке показана схема спаривания оснований этой прототипической тмРНК, которая организована в 12 филогенетически поддерживаемых спиралей (также называемых парами P1–P12), некоторые из которых разделены на спиральные сегменты.
Характерной особенностью каждой тмРНК является консервативный тРНК-подобный домен (TLD), состоящий из спиралей 1, 12 и 2a (аналоги акцепторного стебля тРНК, Т-стебля и вариабельного стебля соответственно) и содержащий 5' монофосфат и аланилируемый 3' CCA-концы. МРНК-подобный регион (MLR) в стандартной тмРНК представляет собой большую петлю, содержащую псевдоузлы и кодирующую последовательность (CDS) для тегового пептида , отмеченную кодоном резюме и стоп-кодоном . Кодируемый теговый пептид (ANDENYALAA в E. coli ) различается среди бактерий, возможно, в зависимости от набора доступных протеаз и адаптеров. [9]
tmRNAs обычно содержат четыре псевдоузла , один (pk1) выше по течению от пептида-тега CDS, и другие три псевдоузла (pk2 - pk4) ниже по течению от CDS. Области псевдоузлов, хотя в целом консервативны, являются эволюционно пластичными. Например, в (цельных) tmRNAs цианобактерий pk4 заменен двумя тандемно расположенными меньшими псевдоузлами. Это говорит о том, что сворачивание tmRNA вне TLD может быть важным, однако в области псевдоузла отсутствуют консервативные остатки, и псевдоузлы являются одними из первых структур, которые теряются, когда последовательности ssrA расходятся в пластидных и эндосимбионтных линиях. Спаривание оснований в области из трех псевдоузлов tmRNA E. coli нарушается во время транс-трансляции. [7] [10]
Циркулярно переставленный ssrA был зарегистрирован в трех основных линиях: i) все альфапротеобактерии и примитивные митохондрии якобидных протистов, ii) две разрозненные группы цианобактерий ( Gloeobacter и клада, содержащая Prochlorococcus и многие Synechococcus ), и iii) некоторые члены бетапротеобактерий ( Cupriavidus и некоторые Rhodocyclales). [11] [12] Все они производят одну и ту же общую двухкомпонентную (акцепторную и кодирующую части) форму, эквивалентную стандартной форме, надрезанной ниже рамки считывания. Ни одна из них не сохраняет более двух псевдоузлов по сравнению с четырьмя (или более) стандартной тмРНК.
У альфапротеобактерий есть две характерные последовательности: замена типичной последовательности T-петли TΨCRANY на GGCRGUA и последовательность AACAGAA в большой петле 3´-концевого псевдоузла. В митохондриях MLR утрачен, а примечательная перестановка митохондриального ssrA приводит к небольшому цельному продукту в Jakoba libera . [13]
Цианобактерии представляют собой наиболее правдоподобный случай эволюции пермутированного гена из стандартного гена из-за значительного сходства последовательностей между двумя типами генов, которые встречаются в различных штаммах Synechococcus .
Большинство тмРНК транскрибируются как более крупные предшественники, которые обрабатываются во многом подобно тРНК . Расщепление на 5´ конце осуществляется рибонуклеазой P. [ 4] В процессинге 3´ конца тмРНК могут участвовать несколько экзонуклеаз, хотя наиболее эффективны РНКаза T и РНКаза PH . [14] [15] В зависимости от вида бактерий 3'-CCA либо кодируется, либо добавляется нуклеотидилтрансферазой тРНК .
Подобная обработка на внутренних участках пермутированной предшественника tmRNA объясняет ее физическое разделение на две части. Двухкомпонентные tmRNA имеют два дополнительных конца, обработку которых необходимо учитывать. Для альфапротеобактерий один 5´ конец является необработанным стартовым сайтом транскрипции. [16] Дальний 3´ конец может в некоторых случаях быть результатом rho-независимого завершения.
Структуры с высоким разрешением полных молекул tmRNA в настоящее время недоступны и могут быть труднодоступны из-за присущей MLR гибкости. В 2007 году кристаллическая структура TLD Thermus thermophilus, связанного с белком SmpB, была получена с разрешением 3 Å. Эта структура показывает, что SmpB имитирует стебель D и антикодон канонической tRNA, тогда как спиральный участок 2a tmRNA соответствует вариабельному плечу tRNA. [18] Исследование tmRNA с помощью криоэлектронной микроскопии на ранней стадии транс-трансляции показывает пространственную связь между рибосомой и tmRNP (tmRNA, связанная с белком EF-Tu ). TLD расположен вблизи центра, связанного с ГТФазой, в 50S рибосомальной субъединице; Спираль 5 и псевдоузлы pk2-pk4 образуют дугу вокруг клюва рибосомальной субъединицы 30S. [19]
Кодирование tmRNA было обнаружено в 1995 году [20] , когда Симпсон и его коллеги сверхэкспрессировали цитокин мыши IL-6 в E. coli и обнаружили несколько укороченных пептидов , полученных из цитокина , каждый из которых был помечен на карбоксильных концах тем же самым 11-аминокислотным остатком расширения (A)ANDENYALAA. За исключением N-концевого аланина , который исходит из 3'-конца самой tmRNA, эта последовательность тега была прослежена до короткой открытой рамки считывания в tmRNA E. coli . Кейлер и др. признали, что пептид тега обеспечивает протеолиз , и предложили модель транс -трансляции для действия tmRNA. [21]
В то время как детали механизма транс -трансляции находятся в стадии изучения, в целом принято считать, что tmRNA сначала занимает пустой сайт A остановившейся рибосомы . Затем рибосома перемещается с 3'-конца укороченной информационной РНК на кодон возобновления MLR, за которым следует стадия, склонная к проскальзыванию, с которой трансляция продолжается нормально до тех пор, пока не встретится стоп-кодон tmRNA в рамке считывания. Транс-трансляция необходима для некоторых видов бактерий, тогда как другим бактериям tmRNA требуется для выживания при воздействии стрессовых условий роста. [22] Считается, что tmRNA может помочь клетке с устойчивостью к антибиотикам, спасая рибосомы, остановившиеся из-за антибиотиков. [23] В зависимости от организма, пептид-метка может распознаваться различными протеазами или адаптерами протеаз. [9]
ssrA является как целью для некоторых мобильных ДНК, так и пассажиром на других. Было обнаружено, что он прерывается тремя типами мобильных элементов. При помощи различных стратегий ни один из них не нарушает функцию гена: интроны группы I удаляют себя путем самосплайсинга, риккетсиальные палиндромные элементы (RPE) вставляются в безвредные сайты, а геномные острова, кодирующие интегразу, разделяют свой целевой ssrA , но восстанавливают отщепленную часть. [24] [25] [26] [27]
Нехромосомный ssrA был впервые обнаружен в геномном исследовании микобактериофагов (у 10% фагов). [28] Другие мобильные элементы , включая плазмиды и геномные острова, были обнаружены с ssrA . Одним из интересных случаев является Rhodobacter sphaeroides ATCC 17025, чей нативный ген tmRNA нарушен геномным островом; в отличие от всех других геномных островов в генах tmRNA (или tRNA), этот остров инактивировал нативный целевой ген без восстановления, но компенсирует это, неся свой собственный ген tmRNA. Очень необычный родственник ssrA обнаружен в литическом микобактериофаге DS6A, который кодирует немного больше, чем TLD.
Митохондриально-кодируемая, структурно редуцированная форма тмРНК (мт-тмРНК) была впервые постулирована для жгутиконосца якобид Reclinomonas americana . [11] Впоследствии наличие митохондриального гена ( ssrA ), кодирующего тмРНК, а также сайтов транскрипции и процессинга РНК были подтверждены для всех, кроме одного представителя якобид . [29] [13] Функциональные доказательства, то есть аминоацилирование мт- тмРНК аланином , доступны для Jakoba libera . [13] Совсем недавно ssrA был также идентифицирован в митохондриальных геномах оомицетов . [30] Как и в α-Proteobacteria (предках митохондрий ), мт-тмРНК представляют собой циклически переставленные двухкомпонентные молекулы РНК, за исключением Jakoba libera , где ген вернулся к кодированию однокомпонентной конформации тмРНК. [13]
Гены митохондриальной tmRNA изначально были распознаны как короткие последовательности, которые сохраняются среди якобид и которые имеют потенциал для складывания в отчетливую вторичную структуру, подобную тРНК. С доступностью девяти полных последовательностей мтДНК якобид [29] и значительно улучшенным инструментом поиска ковариации (Infernal; [31] [32] [33] ), была разработана модель ковариации на основе митохондриальных tmRNA якобид , которая идентифицировала митохондриальные гены ssrA также у оомицетов . В настоящее время обнаружено в общей сложности 34 мт-tmRNA оомицетов в шести родах: Albugo , Bremia , Phytophthora , Pseudoperonospora , Pythium и Saprolegnia . Ковариационная модель, созданная с использованием последовательностей как якобид , так и оомицетов, теперь доступна на сайте Rfam под названием «mt-tmRNA». [30]
Стандартная бактериальная тмРНК состоит из тРНК(Ала)-подобного домена (позволяющего добавлять некодируемый аланин к мРНК, у которых отсутствует стоп-кодирование), и мРНК-подобного домена, кодирующего белковую метку, которая направляет полипептид на протеолиз. МРНК-подобный домен был утрачен в мт-тмРНК. Сравнительный анализ последовательностей указывает на особенности, типичные для мт-тмРНК. [30] Наиболее консервативной является первичная последовательность аминоацильного акцепторного стебля. Эта часть молекулы имеет неизменный остаток А в позиции дискриминатора и пару GU в позиции 3 (за исключением S eculamonas ecuadoriensis , у которой есть пара GC); эта позиция является сайтом распознавания для аланил-тРНК-синтазы. P2 представляет собой спираль переменной длины (от 3 до 10 пар оснований) и соответствует антикодоновому стеблю тРНК, но без антикодоновой петли (так как она не требуется для функции тмРНК). P2 стабилизирует тРНК-подобную структуру, но четыре нуклеотида, инвариантные у оомицетов и якобид, предполагают дополнительную, в настоящее время не идентифицированную функцию. P3 имеет пять пар оснований и соответствует Т-плечу тРНК, но с различными консенсусными нуклеотидами как в парной области, так и в петле. Последовательность Т-петли сохраняется у оомицетов и якобид , с небольшими отклонениями (например, Saprolegnia ferax ). Наконец, вместо тРНК-подобного D-стебля с укороченной трехнуклеотидной D-петлей, характерной для бактериальных тмРНК, митохондриальные аналоги имеют высоковариабельную петлю длиной от 5 до 14 нуклеотидов. Промежуточная последовательность (Int.) двухкомпонентных мт-тРНК богата A+U и имеет нерегулярную длину (4-34 нт). Модели вторичной структуры одно- и двухкомпонентных мт-тРНК см. на рисунке 1.
Данные РНК-секвенирования Phytophthora sojae показывают уровень экспрессии, аналогичный уровню соседних митохондриальных тРНК , а четыре основных участка процессинга подтверждают предсказанные концы зрелой мт-тРНК. [30] Молекула-предшественник тмРНК, вероятно, процессируется РНКазой P и эндонуклеазой процессинга тРНК 3' (см. Рисунок 2); предполагается, что последняя активность приводит к удалению промежуточной последовательности. После добавления CCA к нуклеотиду-дискриминатору 3' тмРНК может быть заряжена аланил-тРНК-синтетазой с аланином.