Процессинг транскриптов рнк-полимеразы I

В ядрах всех эукариотических клеток присутствуют крупные сильно прокрашиваемые красителями или хорошо видимые в электронном микроскопе плотные образования называемые ядрышками. История их исследования насчитывает более 100 лет. В ядрышках, как в настоящее время известно, протекают процессы синтеза и первичной сборки рибосомных частиц. Ранние электронномикроскопические исследования ядрышек диспергированных в растворах с низкой ионной силой позволили обнаружить целые серии структур внешне похожих на рождественскую елку (см. рис. ). Сейчас известно, что каждая такая «рождественская елка» представляет собой одну повторяющуюся единицу рДНК (т.е. один ген рибосомной РНК из примерно 100-200 тандемно повторяющихся генов) транскрибируемую РНК-полимеразой I. Рибосомная ДНК образует ствол «дерева», синтезирующаяся пре-рРНК формирует «ветви», а комплексы процессинга, содержащие U3 snoРНК, которые быстро связываются с новосинтезированной рРНК вдали от 5^/-сайта процессинга, формируют 5^/-терминальные «шарики», которые выглядят как орнамент.

Из этих длинных молекул-предшественников (~47S, что составляет примерно 14 килобаз у высших эукариот и ~35S или около 7 килобаз у дрожжей) впоследствии выщепляются 18S-, 5.8S- и 28S-рРНК, которые используются для образования малых и больших субчастиц рибосом. В ходе этих эндонуклеолитических и экзонуклеолитических реакций процессинга раличающиеся по размеру внешние и внутренние транскрибируемые спейсеры (external и internal transcribed spacers – ETS и ITS, соответственно) удаляются и впоследствии разрушаются, повторяя судьбу интронов молекул пре-мРНК. Реакции расщепления протекают как в пределах самих транскрибируемых спейсеров, так и по их концам. Весьма удивительно, что реакции расщепления по разным сайтам процессинга фундаментально различаются. Процессинг молекул пре-рРНК заключается не только в реакциях разрезания, но и в реакциях модификации, которым подвергаются приблизительно 200 специфических нуклеотидных остатков в составе первичного транскрипта. Вдобавок около 80 рибосомальных белков быстро связывается в ядрышках с пре-рРНК и несколько белков дополнительно связывается в цитоплазме с областью пре-рРНК, соответствующей 18S-фрагменту. Из-за того, что молекулы пре-рРНК наиболее многочисленны в клетке они явились первыми обнаруженными транскриптами, для которых был показан процессинг и многие характерные их особенности были установлены еще до разработки методов получения рекомбинантных ДНК.

Уже в течение некоторого времени известно, что малые ядрышковые РНП-частицы (snoRNP) принимают участие в разрезании крупных пре-рРНК-транскриптов. Однако, по-видимому, имеются определенные различия в качественном наборе этих частиц, участвующих в процессинге рРНК у дрожжей и млекопитающих. Например, U3 snoРНП-комплекс принципиально важен для самой ранней стадии разрезания пре-рРНК –первое событие в процессинге пре-рРНК млекопитающих – в сайте, расположенном в пределах внешнего транскрибируемого спейсера (ETS) на 5^/-конце транскрипта, где образуются «шарики» «рождественского дерева» (у млекопитающих эта стадия процессинга включает также молекулы U14, U17 и Е3 snoРНК). U3 snoРНП-комплекс также обеспечивает разрезание во внутреннем транскрибируемом спейсере 1 (ITS1) и у дрожжей в высвобождении зрелой 18S-рРНК принимают участие U22 и U14 РНК. Молекула U14 РНК также играет роль шаперона, обеспечивая фолдинг внутренней области участка, соответствующего 18S-рРНК млекопитающих. Молекула U8 РНК участвует в разрезании транскрипта в пределах участка ITS1 и обеспечивает разрезание (отрезание) внешнего транскрибируемого спейсера (ETS) на 3^/-конце транскрипта. В то же время у дрожжей в процессинг этой же области включаются MRP-РНК и РНКаза III. Интересно, что MRP является еще одним РНП-комплексом, который включает РНК и использует восемь белков общих для РНКазы Р. Более того, MRP расщепляет эукариотическую пре-рРНК по сайту, похожему на сайт на который действует РНКаза Р при выщеплении тРНК из прокариотической пре-рРНК. После этих специфических эндонуклеолитических разрезаний, образующиеся фрагменты подравниваются с участием 5^/→3^/- и 3^/→5^/-экзонуклеаз (см. далее раздел «Экзосома»).

Недавно было установлено, что в процессинге молекул рРНК принимает участие свыше 100 дополнительных snoРНП-комплексов. Они выполняют функцию проводников по молекулам рРНК, направляя реакции 2^/-О-метилирования по приблизительно 110 сайтам и реакции псевдоуридилирования по 95 сайтам у млекопитающих (и реже и дрожжей). Каждая из этих snoРНК содержит один или несколько участков из 10-20 нуклеотидов комплементарных сайту модификации в рРНК. Такое спаривание происходит точно в тех участках, которые подвергаются модификации. Молекулы snoРНК, направлящие 2^/-О-метилирование отличаются наличием последовательностей, называемых блоками С и D, которые связывают 2^/-О-метилазу. С другой стороны, те snoРНК, которые направляют псевдоуридилирование, содержат блоки Н и АСА и связывают псевдоуридин-синтазу. Реакции метилирования и псевдоуридилирования, ограниченные наиболее высоко консервативными последовательностями в рРНК, протекают сразу после транскрипции и вероятно согласованы с фолдингом рРНК. Любопытно, что некоторые мяРНК также подвергаются snoРНК-опосредованному метилированию, которое протекает, вероятно, в ядрышках. Таким образом, процессинг пре-рРНК транскриптов зависит от участия многочисленных малых РНК, принимающих участие в модификации, разрезании и фолдинге 18S-, 5.8S- и 28S-рРНК, которые в сборке с белками экспортируются в цитоплазму для участия в процессе трансляции в качестве малых и больших субчастиц рибосом.