Главная страница

Motyw RNA FourU, zaznaczono sekwencję Shine-Dalgarno

Termometr RNA – temperaturoczuła niekodująca sekwencja kwasu rybonukleinowego (RNA) biorąca udział w regulacji ekspresji genu. Często reguluje genu zaangażowane w odpowiedź na szok termiczny, ale spełnia również inne funkcje regulacyjne w patogenności i głodzeniu[1].

W ogólności termometr RNA działa poprzez zmianę struktury drugorzędowej w odpowiedzi na fluktuacje temperatury. Zmiany w tej strukturze mogą udostępniac bądź ukrywać ważne regiony RNA, jak miejsca wiązania rybosomów, co wpływa na tempo translacji genu.

Termometry RNA thermometers wraz z ryboprzełącznikami wykorzystuje się jako przykłady wspierające hipotezę świata RNA. Podaje ona, że RNA był niegdyś jedynym obecnym w komórkach kwasem nukleinowym, po czym został zastąpiony obecnie wykorzystywanym systemem DNA → RNA → białka (Centralny dogmat biologii molekularnej)[2].

Przykłady termometrów RNA stanowią FourU[3], element regulacyjny Hsp90 cis[4], element ROSE (Repression of heat shock gene expression)[5] i termometr Hsp17[6].

Odkrycie

Pierwsze temperaturoczuły RNA opisany został w 1989[7]. Przed tym odkryciem dowiedziono, że mutacje poprzedzające miejsce rozpoczęcia transkrypcji w mRNA cIII faga lambda wpływają na poziom translacji białka cIII[8]. Białko jest zaangażowane w wybór pomiędzy cyklem litycznym a lizogennym tego bakteriofaga, wysokie stężenie cIII promowało cykl lizogenny[8]. Dalsze badania tego poprzedzającego miejsce rozpoczęcia transkrypcji regionu RNA wykryły dwie alternatywne struktury drugorzędowe. Badania eksperymentalne wykazały, że mogą one przechodzić wzajemnie jedna w drugą. Proces ten zależy od stężenia kationu magnezu i temperatury[7][9]. Obecnie uważa się, że ten przykład termometru RNA promuje wejście w cykl lityczny pod wpływem stresu cieplnego, co umożliwia bakteriofagowi szybką replikację i ucieczkę z komórki-gospodarza[1].

Terminu „termometr RNA” nie używano aż do 1999[10], kiedy to zastosowano go do określenia cząsteczki RNA rpoH znalezioneu u bakterii Escherichia coli[11]. Bardziej współcześnie przeprowadzono badania bioinformatyczne w celu wykrycia kilku nowych kandydatów na termometry RNA[12]. Tradycyjne metody poszukiwań bazujące na sekwencjonowaniu okazały się nieefektywne, jako że drugorzędowa struktura cząsteczki jest znacznie bardziej konserwatywna od sekwencji zasad azotowych[12].

Występowanie

Najbardziej znane termometry RNA leżą w 5'-obszarze nieulegającym translacji matrycowego RNA kodujące białka szoku cieplnego, chociaż zasugerowano, że informacja ta może stanowić po części efekt błędu powstałego przy pobieraniu próbek nieodzownych trudności w detekcji krtókich, niezachowujących się sekwencji RNA[13][14].

Choć znajdywane są głównie u prokariontów, potencjalny przykład termometru RNA znaleziono też u ssaków, wliczając w to człowieka[15]. Ten kandydat to HSR1 (heat shock RNA-1), aktywuje on HSF1 (heat-shock transcription factor 1) i indukuje białka ochronne, gdy temperatura komórki przekracza 37 °C, zabezpieczając komórkę przed przegrzaniem[15].

Struktura

Rekonstrukcja 3D struktury termometru RNA, cząsteczki ROSE[16]

Termometry RNA cechują się prostą budową, mogą być zbudowane z krótkich sekwencji RNA. Najmniejszy z nich liczy sobie zaledwie 44 nukleotydy. Występuje on w mRNA białka szoku cieplengo hsp17 u gatunku z rodzaju Synechocystis oznaczanym jako Synechocystis sp. PCC 6803[17][18]. Generalnie długość tych elementów RNA waha się pomiędzy 60-110 nukleotydów[19]. Typowo zawierają motyw spinki do włosów o niewielkiej liczbie niesparowanych par zasad, co zmniejsza stabilność tej struktury, pozwalając na łatwiejsze jej zmiany w odpowiedzi na wzrost temperatury[20].

Dokładne badania strukturalne termometru RNA ROSE ujawniły, że niesparowane zasady biorą właściwie udział w niestandardowym parowaniu się zasad, które pozwala zachować strukturę helikalną RNA. Te niezwykłe pary zasad obejmują G-G, U-U i UC-U. Jako że te niestandardowe pary zasad są względnie niestabilne, wzrost temperatury powoduje lokalne topnienie struktury RNA w tym regionie z ujawnieniem sekwencji Shine-Dalgarno[16].

Niektóre termometry RNA są znacznie bardziej złożon od pojedynczego motywu spinki do włosów, jak w przypadku regionu znalezionego w CspA mRNA. Doszukano się w nim motywu pseudoknot i licznych spinek do włosów[21][22].

Syntetyczne termometry RNA stworzono jednak za pomocą prostego, pojedynczego motywu spinki do włosów[23]. Jednakże sekwencja nukleotydowa takich krótkich termometrów RNA może być podatna na mutacje, jako że już mutacja punktowa może pozbawić motyw spinki do włosów aktywności in vivo[24].

Mechanizmy

Stabilny motyw spinki do włosów (po lewej) rozwija się w wyższej temperaturze (po prawej). Zakolorowana sekwencja Shine-Dalgarno ujawnia się, pozwalając na związanie podjednostki małej rybosomu 30S[1]

Termometry RNA spotyka się na niepodlegającym transkrypcji rejonie 5' matrycowego RNA, a więc przed regionem kodującym gen[1]. Posiadają one zdolność do blokownaia miejsca przyłącznia się rybosomu (RBS, ribosome binding site) i przez to uniemożliwiania zachodzenia translacji mRNA w białko[13]. Ze wzrostem temperatury rozrywają się wiązania utrzymujące motyw szpilki do włosów, uwalnia się RBS lub sekwencja Shine-Dalgarno, pozwalając na przyłączenie podjednostki 30S rybosomu, a następnie gromadzenia się innym czynników niezbędnych w translacji[1]. Kodon startowy, typowo leżący 8 zasad za sekwencją Shine-Dalgarno[13], sygnalizuje rozpoczęcie części genu kodującej łańcuch białkowy, ulegającej translacji na peptyd dzięki pracy rybosomu. Oprócz tego mechanizmu regulacji cis samotny prowadzący regulację trans termometr RNA znaleziono w RpoS mRNA, gdzie pełni od funkcję związaną z odpowiedzią na głodzenie[1].

Specyficzny przykład termometru RNA stanowi FourU znaleziony u bakterii Salmonella enterica[3]. Wystawiony na działanie temperatury przekraczającej 45 °C, motyw spinki do włosów o parach zasad leżących naprzeciwko sekwencji Shine-Dalgarno przechodzi w formę o niesparowanych zasadach , pozwalając mRNA na połączenie z rybosomem, by zaszła translacja[24]. Wykazano też, że stężenie kationów Mg2+ wspływa na stabilność FourU[25].

Najlepiej zbadany termometr RNA znaleizono jednak w genie rpoH u Escherichia coli[26]. Ten termosensor przeprowadza up-regulację białek szoku cieplnego w wysokiej temperaturze poprzez σ32, wyspecjalizowany czynnik szoku cieplnego[10].

Choć typowo wiążą się z indukowaną ciepłem ekspresją białek szoku cieplnego, termometry RNA mogą również prowadzić regulację białek szoku zimna[21]. Przykładowo eksprecja dwóch liczących sobie 7 kDa białek regulowana jest przez termometr RNA u termofilnej bakterii Thermus thermophilus[27], a podobny mechanizm wykryto u Enterobacteriales[22].

Termometry RNA czułe dla temperatury 37 °C mogą służyć patogenom do aktywacji genów specyfiucznych dla infekcji[13]. Dla przykładu regulacja w górę prfA, kodującego kluczowy regulator transkrypcji genu wirulencji bakterii Listeria monocytogenes zademonstrowana została poprzez przyłączenie regionu 5' prfA do genu białka zielonej fluorescencji. Gen fuzyjny uległ następnie transkrypcji przez promotor T7 pałeczki E. coli, a fluorescencję zaobserwowano w temperaturze 37 °C, ale nie 30 °C.[28].

Hipoteza świata RNA

Hipoteza świata RNA przyjmuje, że RNA był niegdyś zarówno nośnikiem informacji genetycznej, jak i posiadał aktywność enzymatyczną. Jedne sekwencje działały jako biokatalizatory, inne zaś były regulatorami bądź sensorami[29]. Zgodnie z tą hipotezą opisywane przez centralny dogmat biologii molekularnej współczesne życie opierające się DNA, RNA i białkach [ewolucja (biologia)|wyewoluowało]] z opartego o takie RNA i drogą selekcji naturalnej zastąpiło większość funkcji spełnianych pierwotnie przez RNA, wykorzystując inne biomolekuły[2].

Termometry RNA i ryboprzełączniki uważa się ewolucyjnie dawne z uwagi na ich szeroke rozpowszechnienie wśród bardzo daleko ze sobą spokrewnionych organizmów[30]. Zaproponowano, że w świecie RNA tworzone przez ten kwas nukleinowy temosensory odpowiadały za zależną od temperatury regulację innych cząsteczek RNA[2][31]. Termometry RNA u współczesnych organizmów mogą być molekularnym odpowiednikiem żywych skamieniałości, mogących wskazywać na dawniejszą znacznie ważniejszą rolę w świecie RNA[2].

Inne przykłady

  1. a b c d e f Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S. RNA thermometers. „FEMS Microbiol. Rev.”. 30 (1), s. 3–16, 2006-01. DOI: 10.1111/j.1574-6976.2005.004.x. PMID: 16438677 (ang.). [dostęp 2011-04-23]. 
  2. a b c d Atkins, John F.; Gesteland, Raymond F.; Cech, Thomas: The RNA world: the nature of modern RNA suggests a prebiotic RNA world. Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006. ISBN 0-87969-739-3. (ang.)
  3. a b Waldminghaus T, Heidrich N, Brantl S, Narberhaus F. FourU: a novel type of RNA thermometer in Salmonella. „Mol. Microbiol.”. 65 (2), s. 413–24, 2007-07. DOI: 10.1111/j.1365-2958.2007.05794.x. PMID: 17630972 (ang.). [dostęp 2010-07-16]. 
  4. a b R Ahmed, Duncan RF. Translational regulation of Hsp90 mRNA. AUG-proximal 5'-untranslated region elements essential for preferential heat shock translation. „J Biol Chem”. 279 (48), s. 49919–49930, 2004. DOI: 10.1074/jbc.M404681200. PMID: 15347681 (ang.). 
  5. a b A Nocker, Hausherr T, Balsiger S, Krstulovic NP, Hennecke H, Narberhaus F. A mRNA-based thermosensor controls expression of rhizobial heat shock genes. „Nucleic Acids Res”. 29 (23), s. 4800–4807, 2001. DOI: 10.1093/nar/29.23.4800. PMID: 11726689 (ang.). 
  6. Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor.. „Nucleic Acids Res”. 39 (7), s. 2855–68, 2011. DOI: 10.1093/nar/gkq1252. PMID: 21131278 (ang.). 
  7. a b S Altuvia, Kornitzer, D, Teff, D, Oppenheim, AB. Alternative mRNA structures of the cIII gene of bacteriophage lambda determine the rate of its translation initiation. „Journal of Molecular Biology”. 210 (2), s. 265–80, 1989-11-20. DOI: 10.1016/0022-2836(89)90329-X. PMID: 2532257 (ang.). 
  8. a b S Altuvia, Oppenheim, AB. Translational regulatory signals within the coding region of the bacteriophage lambda cIII gene. „Journal of bacteriology”. 167 (1), s. 415–9, Jul 1986. PMID: 2941413 (ang.). 
  9. S Altuvia, Kornitzer, D, Kobi, S, Oppenheim, AB. Functional and structural elements of the mRNA of the cIII gene of bacteriophage lambda. „Journal of Molecular Biology”. 218 (4), s. 723–33, 1991-04-20. DOI: 10.1016/0022-2836(91)90261-4. PMID: 1827163 (ang.). 
  10. a b G Storz. An RNA thermometer. „Genes & Development”. 13 (6), s. 633–6, 1999-03-15. DOI: 10.1101/gad.13.6.633. PMID: 10090718 (ang.). 
  11. MT Morita, Tanaka, Y, Kodama, TS, Kyogoku, Y, Yanagi, H, Yura, T. Translational induction of heat shock transcription factor sigma32: evidence for a built-in RNA thermosensor. „Genes & Development”. 13 (6), s. 655–65, 1999-03-15. DOI: 10.1101/gad.13.6.655. PMID: 10090722 (ang.). 
  12. a b T Waldminghaus, Gaubig, LC, Narberhaus, F. Genome-wide bioinformatic prediction and experimental evaluation of potential RNA thermometers. „Molecular genetics and genomics : MGG”. 278 (5), s. 555–64, Nov 2007. DOI: 10.1007/s00438-007-0272-7. PMID: 17647020 (ang.). 
  13. a b c d Narberhaus F. Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs. „RNA Biol”. 7 (1), s. 84–9, 2010. DOI: 10.4161/rna.7.1.10501. PMID: 20009504 (ang.). [dostęp 2011-04-23]. 
  14. Johansson J. RNA thermosensors in bacterial pathogens. „Contrib Microbiol”. 16, s. 150–60, 2009. DOI: 10.1159/000219378. PMID: 19494584 (ang.). 
  15. a b Shamovsky I, Ivannikov M, Kandel ES, Gershon D, Nudler E. RNA-mediated response to heat shock in mammalian cells. „Nature”. 440 (7083), s. 556–60, March 2006. DOI: 10.1038/nature04518. PMID: 16554823. Bibcode2006Natur.440..556S (ang.). 
  16. a b S Chowdhury, Maris, C, Allain, FH, Narberhaus, F. Molecular basis for temperature sensing by an RNA thermometer. „The EMBO Journal”. 25 (11), s. 2487–97, 2006-06-07. DOI: 10.1038/sj.emboj.7601128. PMID: 16710302 (ang.). 
  17. J Kortmann, Sczodrok, S, Rinnenthal, J, Schwalbe, H, Narberhaus, F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor.. „Nucleic Acids Research”. 39 (7), s. 2855–68, Apr 2011. DOI: 10.1093/nar/gkq1252. PMID: 21131278 (ang.). 
  18. Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor. „Nucleic Acids Res.”. 39 (7), s. 2855–68, 2011-04. DOI: 10.1093/nar/gkq1252. PMID: 21131278 (ang.). [dostęp 2011-04-23]. 
  19. Waldminghaus T, Fippinger A, Alfsmann J, Narberhaus F. RNA thermometers are common in alpha- and gamma-proteobacteria. „Biol. Chem.”. 386 (12), s. 1279–86, 2005-12. DOI: 10.1515/BC.2005.145. PMID: 16336122 (ang.). 
  20. F Narberhaus. Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs.. „RNA biology”. 7 (1), s. 84–9, Jan–Feb 2010. DOI: 10.4161/rna.7.1.10501. PMID: 20009504 (ang.). 
  21. a b Breaker RR. RNA switches out in the cold. „Mol. Cell”. 37 (1), s. 1–2, January 2010. DOI: 10.1016/j.molcel.2009.12.032. PMID: 20129048 (ang.). [dostęp 2010-07-23]. 
  22. a b Giuliodori AM, Marzi S, Benoit Masquida i inni. The cspA mRNA is a thermosensor that modulates translation of the cold-shock protein CspA. „Mol. Cell”. 37 (1), s. 21–33, 2010-01. DOI: 10.1016/j.molcel.2009.11.033. PMID: 20129052 (ang.). 
  23. J Neupert, Karcher, D, Bock, R. Design of simple synthetic RNA thermometers for temperature-controlled gene expression in Escherichia coli. „Nucleic Acids Research”. 36 (19), s. e124, 2008-11. DOI: 10.1093/nar/gkn545. PMID: 18753148 (ang.). 
  24. a b Nikolova EN, Al-Hashimi HM. Thermodynamics of RNA melting, one base pair at a time. „RNA”. 16 (9), s. 1687–91, September 2010. DOI: 10.1261/rna.2235010. PMID: 20660079 (ang.). 
  25. J Rinnenthal, Klinkert, B, Narberhaus, F, Schwalbe, H. Modulation of the stability of the Salmonella fourU-type RNA thermometer. „Nucleic Acids Research”. 39 (18), s. 8258–70, 2011-07-04. DOI: 10.1093/nar/gkr314. PMID: 21727085 (ang.). 
  26. Shah P, Gilchrist MA. Is thermosensing property of RNA thermometers unique?. „PLoS ONE”. 5 (7), s. e11308, 2010. DOI: 10.1371/journal.pone.0011308. PMID: 20625392 (ang.). 
  27. Mega R, Manzoku M, Shinkai A, Nakagawa N, Kuramitsu S, Masui R. Very rapid induction of a cold shock protein by temperature downshift in Thermus thermophilus. „Biochem. Biophys. Res. Commun.”. 399 (3), s. 336–40, August 2010. DOI: 10.1016/j.bbrc.2010.07.065. PMID: 20655297 (ang.). 
  28. Johansson J, Mandin P, Renzoni A, Chiaruttini C, Springer M, Cossart P. An RNA thermosensor controls expression of virulence genes in Listeria monocytogenes. „Cell”. 110 (5), s. 551–61, 2002-08. DOI: 10.1016/S0092-8674(02)00905-4. PMID: 12230973 (ang.). [dostęp 2011-04-23]. 
  29. Walter Gilbert. The RNA World. „Nature”. 319 (6055), s. 618–618, 1986-02. DOI: 10.1038/319618a0. Bibcode1986Natur.319..618G (ang.). 
  30. A Serganov, Patel, DJ. Ribozymes, riboswitches and beyond: regulation of gene expression without proteins. „Nature reviews. Genetics”. 8 (10), s. 776–90, Oct 2007. DOI: 10.1038/nrg2172. PMID: 17846637 (ang.). 
  31. SE Bocobza, Aharoni, A. Switching the light on plant riboswitches. „Trends in Plant Science”. 13 (10), s. 526–33, Oct 2008. DOI: 10.1016/j.tplants.2008.07.004. PMID: 18778966 (ang.). 
  32. LC Gaubig, Waldminghaus, T, Narberhaus, F. Multiple layers of control govern expression of the Escherichia coli ibpAB heat-shock operon. „Microbiology (Reading, England)”. 157 (Pt 1), s. 66–76, Jan 2011. DOI: 10.1099/mic.0.043802-0. PMID: 20864473 (ang.). 
  33. S Balsiger, Ragaz C, Baron C, Narberhaus F. Replicon-specific regulation of small heat shock genes in Agrobacterium tumefaciens. „J Bacteriol”. 186 (20), s. 6824–6829, 2004. DOI: 10.1128/JB.186.20.6824-6829.2004. PMID: 15466035 (ang.). 

Szablon:Link GA