2.6. Биологическое значение асРнк бактерий

В свете большого числа асРНК в различных микроорганизмах возникает вопрос что выгоднее: регуляция генов асРНК, регуляторными белками или транс-действующими некодирующими РНК (Jens, Wolfgang, 2011).

2.6.1 Количественная оценка эффективности асРНК

Регуляция с помощью РНК, которые стехиометрически взаимодействуют с их целью (то есть, деградируют или поглощаются целью, например, IsrR (Dühring et al., 2006), может быть описана с помощью модели порогового линейной отклика (Levine et al., 2007). При регуляции транскрипции белками экспрессия мРНК-мишени всегда пропорциональна активности промотора, в результате чего существует линейная зависимость от регуляторного белка (Levine et al., 2007). В случае РНК-регуляции экспрессия целевого гена зависит от активности его промотора и числа доступных регуляторных молекул РНК. Экспрессия подавляется при условии, что транскрипция регулятора превышает транскрипцию мишени (репрессированный режим), и его экспрессия линейно возрастает, когда концентрация мРНК опережает концентрацию регулятора (экспрессивный режим). Пороговое значение определяет транскрипцию (или деградацию). Для подтверждения исследовали количественное влияние асРНК IsrR в системе IsrR/IsiA (Dühring et al., 2006; Legewie et al., 2008). В этом случае асРНК вызывает задержку экспрессии мРНК по сравнению с другими генами того же регулона. Из-за сильного влияния IsiA на фотосинтетический аппарат (Dühring et al., 2006), организму выгодно экспрессировать IsiA позже других генов, индуцируемых стрессом. В случае короткого стресса, белок не экспрессируется, другими словами, сигналы фильтруются. Кроме того, восстановление в состояние предварительного напряжения происходит из-за быстрого истощения мРНК с помощью IsrR (Legewie et al., 2008; Shimoni et al., 2007).

Было проведено сравнение динамики пост-трансляционной белковой регуляции, регуляции транскрипции и пост-транскрипционной регуляции с помощью РНК (Legewie et al., 2008; Shimoni et al., 2007). Выяснилось, что если соответствующие регуляторы уже присутствуют в клетке, регуляция с помощью РНК быстрее, чем регуляции транскрипции, но медленнее, чем взаимодействие белок-РНК. Однако, если регулирующие структуры должны быть вновь синтезированы в ответ на внезапный стресс, регуляция на основе РНК осуществляется быстрее. Следовательно, такая регуляция является предпочтительной, когда необходим быстрый ответ (Legewie et al., 2008; Shimoni et al., 2007).

2.6.2. Стохастический взгляд на РНК-регуляцию

Если говорить об отдельных клетках, в игру вступают эффекты случайности. Биологические процессы, такие как транскрипция, страдают от флуктуаций, таких как транскрипционные всплески (Golding et al., 2005). Это неизбежно приводит к экспрессивному шуму, который описывает, насколько сильно значение экспрессии для каждой отдельной клетки отличается от среднего уровня экспрессии гена в популяции. Шум от регуляции транскрипции сравнивали с шумом в результате пост-транскрипционной регуляции с помощью РНК (Mehta et al., 2008). Было показано, что регуляторные РНК подавляют экспрессию гена более надежно и с большей устойчивостью к шуму, чем при регуляции транскрипции (Levine, Hwa, 2008; Mehta et al., 2008). Это особенно важно, если экспрессия гена сильно влияет на организм, например, в случае с isiA (Dühring et al., 2006) и с потенциально вредными генетическими элементами, такими как транспозоны (Nagy, Chandler, 2004; Sittka et al., 2008; Beaume et al., 2010). С другой стороны, режим, в котором мРНК и регулятор имеют аналогичные концентрации (вблизи порога), чрезвычайно чувствителен к шуму (Mehta et al., 2008). Это приводит к высоким уровням собственных шумов. Систематическое изучение генов со своими асРНК у дрожжей показали, что эти гены действительно имеют более высокий уровень изменчивости экспрессии (Xu et al., 2011). Такие шумовые эффекты должны сделать регуляторные РНК невыгодными для точной регулировки концентрации белка. Тем не менее, в некоторых случаях, шум может быть биологически значимым, поскольку это может привести к усилению фенотипической гетерогенности клеток в генетически однородной популяции микроорганизмов и делает популяцию в целом более устойчивой к быстрым изменениям окружающей среды (Jens, Wolfgang, 2011). Кроме того, решение клеточной судьбы (развитие устойчивости, например) требует наличия шума в точке принятия решения (Dubnau et al., 2006; Veening et al., 2008).

2.6.3. Другие аспекты регуляции с помощью асРНК

Антисмысловая транскрипции также имеет большое значение для связи экспрессии соседних генов, что может быть достигнуто с помощью асРНК, которые перекрывают более одного гена, а также перекрывающимися мРНК или однонаправленными промоторами (Xu et al., 2011). Эта связь может также распространяться на сохранение кластеров генов в процессе эволюции, как показано для литического цианофага S-PM2, который заражает штаммы морских Synechococcus (Millard et al., 2010). У него асРНК CfrI связывает два отдельных генетические элемента. Один ген psbA для вирусного белка D1, а другой ген кодирует хозяйскую эндонуклеазу F-CphI (Zeng et al., 2009). Наконец, асРНК может подавлять экспрессию отдельных генов в составе оперонов, которые отвечают на внешние и внутренние сигналы. Есть несколько примеров генов с более чем одной асРНК (D'Alia et al., 2010; Georg et al., 2009; Mitschke et al., 2011; Sharma, 2010), а вместе с регуляторными белками и другими нкРНК они могут объединять несколько сигналов, чтобы регулировать экспрессию гена-мишени в ответ на истинное состояние внешней и внутренней среды.

2.6.3. Сравнение с транс-действующими нкРНК

В механизме действия обоих типов РНК заметны сходства. Они образуют Уотсон-Криковские водородные связи с комплементарными основаниями своих РНК-мишеней, взаимодействуют с мишенями стехиометрически, могут быть деградированы или поглощены в результате взаимодействия со своей целью (Jens, Wolfgang, 2011). Тем не менее, существует несколько важных отличий. АсРНК полностью или в большей степени комплементарны своим мишеням и могут образовывать более стабильные дуплексы РНК. Это может иметь значение для кинетики связывания, а взаимодействие может быть независимым от белков, таких как Hfq. АсРНК происходят из одной геномной области, что и их цели. Это может быть одним из ключевых преимуществ, потому что необходимое пространство генома меняется незначительно, и организм теоретически может позволить себе одну или несколько регуляторных РНК для каждого отдельного гена без необходимости увеличения размера генома. Недавние исследования транскриптома высокопродуктивными методами показали, что эта ситуация не слишком далека от реальности для некоторых бактерий (Sharma et al., 2010). Кроме того, по сравнению с другими регулирующими элементами, новые асРНК должны легко возникать в процессе эволюции, так как небольшое количество точечных мутаций может привести к возникновению активного промотора. Комплементарность последовательности обеспечивается автоматически (Jens, Wolfgang, 2011). Цис-позиция также дает преимущество: асРНК и целевой ген транскрибируются в тесной стерической близости. Это должно привести к повышенной локальной концентрации и облегчению взаимодействия. Кроме того, пространственная структура транскрипции является важным фактором. Некоторые мРНК у E. coli и Caulobacter crescentus демонстрируют ограниченную диффузию от своих сайтов транскрипции (Montero Llopis et al., 2010). Транскрипционная интерференция зависит от транскрипции с близко расположенных промоторов и, следовательно, этот вид регуляции ограничен асРНК (Giangrossi et al., 2010). Выдающаяся длина некоторых асРНК (до 7000 н.) (Stazic et al., 2011) является еще одним важным преимуществом в сравнении с транс-действующими нкРНК. Длинная РНК выгоднее при интерференции по механизму столкновения (Sneppen et al., 2005).