Экспрессия генов Патрушев

141

молекулярными массами 66 и 44 кДа, необходимыми для специфического взаимодействия эдитосомы с якорной последовательностью, а также сопутствующие факторы Х, ассоциированные с белком AUX240 (240 кДа), который регулирует эффективность редактирования мРНК, обеспечивая сборку эдитосомы из белковых компонентов.

Сверхэкспрессия APOBEC1-субъединицы в клетках, достигаемая генноинженерными методами, приводит к изменению специфичности редактирования. Это было объяснено нарушением стехиометрических соотношений между молекулами субъединиц и дополнительными факторами, обеспечивающими специфичность редактирования (см. рис. I.11,в). На рисунке показано, что избыток субъединицы АРОВЕС1 в эдитосоме стимулирует ее к редактированию вышерасположенных остатков С в АPOВ-мРНК, поскольку изменяется характер фолдинга 5’-концевой части редактируемой мРНК. В результате другие остатки С становятся доступными для каталитических субъединиц.

В соответствии с вышеизложенным, все известные в настоящее время формы редактирования пре-мРНК можно подразделить на два класса:

инсерционное редактирование и редактирование с замещением. В первом случае редактирование мРНК сопровождается вставкой и/или удалением специфических нуклеотидов. Предполагается, что при такой форме редактирования последовательность нуклеотидов мРНК образует гибрид с gРНК, что сопровождается появлением неспаренных и ошибочно спаренных оснований, которые и маркируют сайты редактирования. Далее происходит расщепление углевод-фосфатного остова мРНК по этим сайтам в результате реакции трансэтерификации между фосфатными группами мРНК и встраиваемых нуклеотидов с последующим повторным лигированием образовавшихся фрагментов мРНК, сопровождаемым вставкой или удалением нуклеотидов. Такой механизм реализуется, по крайней мере, в митохондриях некоторых жгутиковых, а также слизневиков. У последних в результате редактирования митохондриальных мРНК имеют место вставки остатков С. Инсерционное редактирование мРНК парамиксовирусов, сопровождающееся вставками остатков G, по-видимому, происходит вследствие ошибок РНКполимеразы при транскрипции соответствующих генов. В результате редактирования с замещением, как это имеет место в случае редактирования

142

APOB-мРНК, а также, возможно, мРНК митохондрий и хлоропластов высших растений и ионных каналов, не происходит расщепления фосфодиэфирных связей в редактируемой РНК, а новое азотистое основание синтезируется in situ (т.е. модифицируется непосредственно в ее полинуклеотидной цепи). При этом не используется gРНК. Формально такой механизм напоминает реакции посттранскрипционной модификации азотистых оснований в тРНК, рРНК, малых ядерных РНК, а также двухцепочечных РНК.

Каково же биологическое значение механизма редактирования генетической информации на уровне мРНК? Какие силы заставили этот механизм эволюционно закрепиться у большого числа далеко отстоящих друг от друга биологических видов? Почему для организмов выгоднее изменять информацию посттранскрипционно, а не заключать ее непосредственно в генах? Очевидно, что для этого должны быть веские, не вполне понятные сегодня причины, которые не допускают перехода к обычному кодированию такой информации. На мой взгляд, редактирование мРНК может иметь непосредственное отношение к дополнительной стабилизации генетической информации в наиболее уязвимых для мутагенеза генетических локусах. Действительно, редактирование РНК получило наибольшее распространение в хлоропластах и митохондриях высших организмов, а также у одноклеточных эукариот. В разделе 5.3.1 приводится обоснование того, что дополнительная защита генетической информации от разрушительного действия химических мутагенов особенно нужна именно многоклеточным организмам для предотвращения накопления генетического груза в делящихся соматических клетках при онтогенезе. Вероятно, одним из путей достижения этого было эволюционное включение в геном эукариот избыточных последовательностей нуклеотидов. У свободноживущих одноклеточных организмов на популяционном уровне такой проблемы не существует, поскольку гибель отдельной свободноживущей клетки не грозит существованию популяции этих клеток, как это имеет место у Metazoa. Однако у митохондрий и хлоропластов, часто рассматриваемых в качестве внутриклеточных микроорганизмовэндосимбионтов, наблюдаются совершенно особые условия существования. Несмотря на то что их геном содержит мало избыточных последовательностей и, следовательно, слабо защищен ими от химических мутагенов, мутации в определенных генах митохондрий и хлоропластов могут быть летальными для

143

соматической клетки-хозяина и всего многоклеточного организма. В этих условиях мутационное изменение нуклеотидов, подвергающихся редактированию на уровне РНК, фактически заменяет само редактирование, и такие мутации нейтральны в функциональном отношении. В отсутствие мутаций редактирование корректирует первичную структуру РНК, а при наличии их необходимость в редактировании отпадает. Иными словами, во всех этих локусах редактирование как бы упреждает мутационные замены редактируемых нуклеотидов в генах, которые геном по каким-то причинам не может эффективно предотвратить в силу особенностей структуры и функционирования соответствующих генетических локусов. По аналогии с неоднозначностью генетического кода наличие механизма редактирования допускает сосуществование в конкретных генетических локусах "вырожденных сайтов", различающихся по первичной структуре, но не своему генетическому смыслу.

2.2.3. Другие модификации эукариотических мРНК

Посттранскрипционные модификации предшественников эукариотических мРНК по сравнению с теми же изменениями первичных транскриптов прокариот более разнообразны и играют большую роль в регуляции экспрессии их генов. Почти все эти реакции происходят в ядре эукариотических клеток в процессе синтеза РНК или сразу же после его завершения. Прежде всего, к 5’-концевому нуклеотиду большинства пре-мРНК присоединяются кэп-группы, что сопровождается метилированием одного или нескольких концевых нуклеотидов, в большинстве случаев необходимым для стабилизации и экспорта соответствующих мРНК из ядра в цитоплазму, а также их эффективной трансляции рибосомами. В основном те же функции, повидимому, выполняет и полиаденилирование 3’-концевых последовательностей мРНК, которые подготавливаются к этому этапу путем специфического отщепления избыточных 3’-концевых нуклеотидов предшественника. Кроме того, интроны, содержащиеся в гигантских первичных предшественниках мРНК, с высокой точностью удаляются в результате сплайсинга. Ниже будут рассмотрены механизмы перечисленных посттранскрипционных модификаций пре-мРНК эукариот. Об использовании этих реакций в регуляции экспрессии

144

генов на посттранскрипционном уровне речь пойдет в разделе 3.3. Кэпирование. Сразу же после инициации транскрипции чаще всего

происходит котранскрипционная модификация 5’-конца мРНК, сопровождаемая присоединением так называемой кэп-группы и дальнейшими ее изменениями. Кэпирование является одной из самых ранних модификаций растущих цепей РНК и происходит после полимеризации ее первых 20–30 нуклеотидов. Такая котранскрипционная модификация мРНК не только стабилизирует мРНК в

Рис. I.12. Обобщенная структура кэп-группы эукариотических мРНК

Указаны сайты метилирования, характерные для кэп-групп разных типов. И – инвариантный сайт, метилируемый у кэп-групп всех типов, I, II – сайты, метилируемые у кэп-групп типов 1 и 2 соответственно

цитоплазме, но и необходима в большинстве случаев для ее эффективной трансляции. Так, один из факторов инициации трансляции eIF-4E выполняет функции кэп-связывающего белка и требуется для осуществления кэпзависимой трансляции мРНК. Кроме того, установлено, что кэпирование мРНК необходимо для эффективного сплайсинга пре-мРНК, ее полиаденилирования и экспорта из ядра в цитоплазму. Кэпированию подвергаются только транскрипты РНК-полимеразы II. На исключительную значимость реакций кэпирования указывает и тот факт, что контролирующие их гены являются жизненно важными.

Как уже упоминалось выше, транскрипция у эукариот и прокариот начинается, как правило, с пуринового рибонуклеозидтрифосфата – ATP, или GTP, причем трифосфатная группа сохраняется в составе мРНК. Таким

145

образом, 5’-концевая последовательность мРНК в ядре на ранних этапах транскрипции представлена в следующем виде: ppp(A/G)pNpNpN...

Гуанилилтрансфераза катализирует присоединение к растущей цепи мРНК молекулы GMP, которая оказывается связанной с 5’-концевым пурином 5’–5’- трифосфатной группой. Суммарная реакция первого этапа процесса кэпирования выглядит следующим образом:

G(5’)ppp + ppp(5’)(A/G)pNpNpN...

↓ Гуанилилтрансфераза

G(5’)ppp(5’)(A/G)pNpNpN... + pp + p

Реакция, по-видимому, протекает в две стадии. Вначале фермент связывает молекулу GTP (входящую затем в состав кэп-группы), что сопровождается отщеплением пирофосфата и образованием ковалентной связи фермент–GMP. Далее GMP присоединяется к 5’-концу мРНК, которая в результате теряет γ-фосфатную группу. В результате нуклеотид кэп-группы оказывается в обратной ориентации по отношению к остальным нуклеотидам мРНК. Процесс создания кэп-группы этой последовательностью реакций не заканчивается. На заключительных этапах кэпирования происходит метилирование по N7 ранее присоединенной молекулы гуанозина. Такие посттранскрипционные модификации происходят в несколько стадий в цитоплазме клеток после транспорта процессированной мРНК из ядра с участием цитоплазматических ферментов.

Первая стадия метилирования осуществляется ферментом РНК(гуанил- 7)-метилтрансферазой, которая переносит метильную группу S- аденозилметионина в положение 7 концевого гуанина кэп-группы (рис. I.12). Кэп-группа, метилированная лишь по этому положению, характерна для одноклеточных эукариот и получила название кэпа 0-го типа. Вслед за этим у большинства многоклеточных эукариот происходит метилирование 2’-ОН рибозы 5’-концевого инициаторного нуклеотида (A или G), который является первым нуклеотидом, включаемым в мРНК при инициации ее синтеза РНКполимеразой. Метилирование катализирует другой цитоплазматический

146

фермент – 2’-О-метилтрансфераза. Такая основная форма кэпа большинства эукариот получила название кэпа 1-го типа. Очень редко и только у тех мРНК, инициация синтеза которых происходит с ATP, под действием 2’-О- метиладенозин-N6-трансферазы метилируются NH2-группы этого остатка А. Фермент распознает данную концевую группу в качестве субстрата лишь в том случае, если она была предварительно метилирована в положении 2’-OH в результате вышеописанной реакции.

Рис. I.13. Модель процессинга 3′-концевых последовательностей

эукариотических пре-мРНК

Цифрами указаны молекулярные массы белков, входящих в состав процессирующего комплекса. Обозначены кэп-группа, последовательность поли(А)-сайта и регуляторная последовательность, с которой взаимодействует гетеродимерный фактор, стимулирующий расщепление (CstF). Стрелки указывают место расщепления РНК

PAP – поли(А)-полимераза, CPSF – фактор специфичности и расщепления РНК, CF I и CF II – факторы расщепления I и II

У некоторых видов эукариот метильная группа может дополнительно присоединяться ко второму от кэп-нуклеотида нуклеозиду мРНК (см. рис. I.12). Субстратом для этого фермента служит мРНК с кэпом 1-го типа, уже содержащим две метильные группы. В результате происходит метилирование остатка рибозы по 2’-ОН-группе с образованием структуры, получившей название кэпа 2-го типа. Если эта реакция имеет место, то мРНК, содержащие кэп 2-го типа, составляют 10–15% от общей популяции молекул кэпированных мРНК.

147

Иная структура кэп-группы характерна для некоторых зрелых некодирующих РНК, в частности малых ядерных РНК, обогащенных урацилом (U-мяРНК). В этом случае остаток гуанозина кэп-группы дважды метилирован в положении 2 в дополнение к обычной метильной группе в положении 7: m2,2,7G(5')ppp(5')N. Такое гиперметилирование U-мяРНК требуется для импорта собранных U-мяРНП-частиц в ядро и, возможно, предотвращает вовлечение U- мяРНК в трансляцию.

Полиаденилирование. Одним из обязательных этапов созревания предшественников эукариотических мРНК, синтезированных в ядре, является процессинг их 3’-концевых последовательностей, тесно сопряженный с присоединением кэп-группы. Созревание 3'-конца мРНК является двухэтапным процессом. Вначале предшественник теряет 3’-концевую некодирующую последовательность, после чего, как правило, к 3’-концу присоединяется поли(А)-последовательность путем ферментативной полимеризации остатков

AMP:

5’ GpppG__________AAUAAA__↓________UUUUU___ 3’

↓ Расщепление

5’ GpppG__________AAUAAA__OH P____UUUUU___ 3’

↓ Полиаденилирование

5’ GpppG__________AAUAAA__AAAAAAAAAAAAAAA 3’

В настоящее время известно несколько исключений из этого правила: гистоновые мРНК животных и мРНК некоторых вирусов, предшественники которых расщепляются с помощью высокоспецифических эндонуклеаз и не полиаденилируются. Остаются неполиаденилированными и U-мяРНК, которые также являются транскриптами РНК-полимеразы II. В этом случае кэпированный первичный транскрипт мяРНК U1, содержащий на своем 3'-конце несколько избыточных нуклеотидов, экспортируется из ядра в цитоплазму, где и происходит удаление избыточной последовательности, которое в ядре блокировано специфическим белковым ингибитором TPI (3'-terminal processing inhibitor).

148

Рис. I.14. Модель белкового комплекса, элонгирующего поли(А)

PAP – поли(А)-полимераза, PAB II – поли(А)-связывающий белок II

Места отщепления 3’-концевых некодирующих последовательностей в мРНК животных обычно маркированы специальными последовательностями нуклеотидов (рис. I.13). Имеются, по крайней мере, две такие последовательности, образующие сайты полиаденилирования, или поли(А)- сайты. Одна из них – AAUAAA расположена за 15 нуклеотидов перед расщепляемой фосфодиэфирной связью и практически одинакова у всех исследованных организмов. Другая, менее изученная последовательность располагается сразу же за первой и часто состоит из нескольких остатков U или обогащена GU. Сайт расщепления РНК определяется расстоянием между этими двумя элементами с предпочтительным расщеплением фосфодиэфирной связи на 3’-конце остатка A, находящегося на участке, в котором расщепление разрешено. Имеются данные о том, что последовательности, расположенные выше AAUAAA, могут оказывать стимулирующее влияние на процессинг, но их присутствие необязательно для его правильного осуществления.

С последовательностью AAUAAA взаимодействует фактор CPSF (cleavage and polyadenylation specificity factor), определяющий специфичность расщепления и полиаденилирования РНК. CPSF состоит из четырех субъединиц с молекулярными массами 160, 100, 70 и 30 кДа. Последняя из них, по-видимому, не является необходимой для его функционирования. Самая

149

большая субъединица находится в непосредственном контакте с последовательностью AAUAAA.

С GU-богатой и ниже расположенной последовательностью связывается гетеродимерный белковый фактор CSTF (cleavage stimulating factor),

стимулирующий расщепление и состоящий из трех субъединиц (77, 64 и 50 кДа). Вторая субъединица контактирует с GU-богатым регуляторным элементом и обладает типичным РНК-связывающим доменом. По отдельности факторы CPSF и CSTF лишь слабо взаимодействуют с РНК. Однако их одновременное присутствие приводит к образованию прочного комплекса. Такой кооперативный эффект и взаимодействие двух факторов между собой определяются их большими субъединицами.

В расщеплении РНК непосредственно участвуют еще два фактора: CFI и CFII (cleavage factors). Как и в предыдущем случае, лишь вместе они образуют прочный комплекс с РНК.

Для полного реконструирования бесклеточной системы, осуществляющей процессинг 3’-концов in vitro, в ней помимо вышеупомянутых факторов необходимо наличие поли(А)-полимеразы – фермента, непосредственно осуществляющего полиаденилирование. Присутствие этого фермента требуется не для самого акта расщепления РНК, а, по-видимому, для стабилизации процессирующего белкового комплекса, схематически изображенного на рис. I.13. Сборка такого сложного комплекса зависит от ATP, однако в процессе сборки не происходит расщепления ее β–γ-связей. В настоящее время неизвестно, какой именно компонент этого комплекса непосредственно расщепляет фосфодиэфирные связи РНК. Процесс полиаденилирования начинается сразу же за расщеплением РНК и происходит настолько быстро, что неполиаденилированных промежуточных продуктов не обнаруживается. Такое сопряжение двух реакций необходимо для защиты 3’- концевых последовательностей РНК от деградации нуклеазами. При этом сам акт полиаденилирования требует наличия только фактора CPSF, но не трех других: CSTF, CFI и CFII.

Поли(A)-полимераза животных состоит из двух субъединиц с молекулярными массами 80 и 43 кДа, которые образуются в результате альтернативного сплайсинга их общей пре-мРНК. Короткий полипептид не обладает ферментативной активностью, и его функции неизвестны. Большая

150

полипептидная цепь содержит С-концевой домен, обогащенный Ser и Thr и не определяющий ни одну из функций фермента, обнаруживаемых in vitro. Предполагают, что регуляторную роль играет множественное фосфорилирование этого домена. С-Концевой домен также содержит один из двух сигнальных последовательностей, необходимых для транспорта фермента в ядро. Вторая сигнальная аминокислотная последовательность локализована на границе С-концевого домена и основного полипептида поли(A)-полимеразы. Сравнительное исследование первичной структуры поли(А)-полимеразы показало наличие в ее полипептидной цепи каталитического домена, характерного для полимераз так называемого семейства X, к которому относятся ДНК-полимераза β, терминальная трансфераза, а также некоторые другие нуклеотидилтрансферазы. Используя 3’-конец расщепленной РНК в качестве затравки, поли(А)-полимераза последовательно присоединяет к нему остатки AMP из ATP по тому же самому механизму, что и другие ДНК- и РНК-полимеразы. Для эффективного функционирования поли(A)-полимераза требует наличия фактора CPSF, а

также поли(A)-связывающего белка PAB II (poly(A)-binding protein II), который связывает полиаденилирующий комплекс с РНК после присоединения к ней, по крайней мере, десяти остатков А. В присутствии этих двух факторов поли(А)- полимераза сразу синтезирует поли(А)-последовательность полной длины по процессивному механизму. Гипотетическая структура элонгирующего комплекса представлена на рис. I.14.

Процессивное (непрерывное) полиаденилирование 3’-концов РНК происходит со скоростью 25 нуклеотидов/с до тех пор, пока длина поли(А)-

последовательности не достигнет 250 нуклеотидов. После этого процессивная реакция прекращается, и происходит медленное дистрибутивное присоединение остатков AMP разными молекулами поли(А)-полимеразы. Предполагают, что элонгирующий белковый комплекс узнает длину синтезированной поли(А)-последовательности при участии фактора PAB II (см. рис. I.14). По этому механизму связывание определенного числа молекул PAB II с поли(А) прекращает элонгацию поли(А)-последовательности. Такой строгий контроль за длиной поли(А) на 3’-концах процессированных мРНК имеет большое значение для действия механизма, контролирующего время