Αγγελιαφόρο RNA

το RNA που μεταφέρει τη γενετική πληροφορία από το DNA στα ριβοσώματα για τη σύνθεση πρωτεϊνών
(Ανακατεύθυνση από MRNA)
Να μην συγχέεται με το μιτοχονδριακό DNA (mtDNA).

Στη μοριακή βιολογία, το αγγελιοφόρο ριβονουκλεϊκό οξύ (mRNA) είναι ένα μονόκλωνο μόριο RNA που αντιστοιχεί στη γενετική αλληλουχία ενός γονιδίου και διαβάζεται από ένα ριβόσωμα στη διαδικασία σύνθεσης μιας πρωτεΐνης.

Ο "κύκλος ζωής" ενός mRNA σε ευκαρυωτικό κύτταρο. Το RNA μετεγγράφεται στον κυτταρικό πυρήνα· μετά την διαδικασία, μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα και μεταφράζεται από το ριβόσωμα. Τελικά, το mRNA εκφυλίζεται.

Μεταγραφή είναι η διαδικασία αντιγραφής ενός γονιδίου από το DNA στο mRNA. Αυτή η διαδικασία είναι ελαφρώς διαφορετική στα ευκαρυωτικά κύτταρα και στα προκαρυωτικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένου ότι η προκαρυωτική RNA πολυμεράση συσχετίζεται με ένζυμα επεξεργασίας DNA κατά τη μεταγραφή, έτσι ώστε η επεξεργασία να μπορεί να προχωρήσει κατά τη μεταγραφή. Επομένως, αυτό αναγκάζει τον νέο κλώνο mRNA να γίνει δίκλωνος παράγοντας ένα συμπληρωματικό κλώνο γνωστού ως μεταφορικό RNA (tRNA). Επιπλέον, το RNA δεν είναι σε θέση να σχηματίσει δομές από το ζεύγος βάσης. Επιπλέον, το πρότυπο για το mRNA είναι ο συμπληρωματικός κλώνος του tRNA, ο οποίος είναι ταυτόσημος στην ακολουθία με την αλληλουχία αντικωδικονίου στην οποία συνδέεται το DNA. Το βραχύβιο, μη επεξεργασμένο ή μερικώς επεξεργασμένο προϊόν ονομάζεται "πρόδρομο mRNA" ή "προ-mRNA". Μόλις ολοκληρωθεί η επεξεργασία, ονομάζεται "ώριμο mRNA".

Το mRNA δημιουργείται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταγραφής (βιολογία), όπου ένα ένζυμο (RNA πολυμεράση) μετατρέπει το γονίδιο σε πρωτογενές μεταγράφημα mRNA (primary transcript) (επίσης γνωστό ως προ-mRNA). Αυτό το προ-mRNA συνήθως εξακολουθεί να περιέχει ιντρόνια, περιοχές που δεν θα συνεχίσουν να κωδικοποιούν την τελική αλληλουχία αμινοξέων. Αυτά αφαιρούνται κατά τη διαδικασία ματίσματος του RNA, αφήνοντας μόνο εξόνια, περιοχές που θα κωδικοποιούν την πρωτεΐνη. Αυτή η εξωνική αλληλουχία αποτελεί ώριμο mRNA. Το ώριμο mRNA στη συνέχεια διαβάζεται από το ριβόσωμα και χρησιμοποιώντας αμινοξέα που μεταφέρονται με tRNA, το ριβόσωμα δημιουργεί την πρωτεΐνη. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μετάφραση. Όλες αυτές οι διαδικασίες αποτελούν μέρος του κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας, το οποίο περιγράφει τη ροή των γενετικών πληροφοριών σε ένα βιολογικό σύστημα.

Όπως στο DNA, οι γενετικές πληροφορίες στο mRNA περιέχονται στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων, τα οποία είναι διατεταγμένα σε κωδικόνια αποτελούμενα από τρία ριβονουκλεοτίδια το καθένα. Κάθε κωδικόνιο κωδικοποιεί ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, εκτός από το κωδικόνιο διακοπής, που τερματίζει τη σύνθεση πρωτεϊνών. Η μετάφραση των κωδικονίων σε αμινοξέα απαιτεί δύο άλλους τύπους RNA: το μεταφορικό RNA, το οποίο αναγνωρίζει το κωδικόνιο και παρέχει το αντίστοιχο αμινοξύ και το ριβοσωματικό RNA (rRNA), το κεντρικό συστατικό του μηχανισμού παραγωγής πρωτεϊνών του ριβοσώματος.

Η ύπαρξη του mRNA προτάθηκε πρώτα από τους Ζακ Μονό and Φρανσουά Ζακόμπ και ανακαλύφθηκε στη συνέχεια από τους Ζακόμπ, Sydney Brenner και Matthew Meselson στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια το 1961.[1]

Σύνθεση, επεξεργασία και λειτουργίαΕπεξεργασία

Η σύντομη ύπαρξη ενός μορίου mRNA ξεκινά με μεταγραφή και τελικά καταλήγει σε αποικοδόμηση. Κατά τη διάρκεια της ζωής του, ένα μόριο mRNA μπορεί επίσης να υποστεί επεξεργασία, τροποποίηση και μεταφορά πριν από τη μετάφραση. Τα ευκαρυωτικά μόρια mRNA απαιτούν συχνά εκτεταμένη επεξεργασία και μεταφορά, ενώ τα προκαρυωτικά μόρια mRNA δεν το κάνουν. Ένα μόριο του ευκαρυωτικού mRNA και οι πρωτεΐνες που το περιβάλλουν ονομάζονται μαζί αγγελιοφόρος ριβονουκλεοπρωτεΐνη (αγγλ.: messenger RNP).

ΜεταγραφήΕπεξεργασία

Η μεταγραφή γίνεται όταν το RNA παράγεται από DNA. Κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, η RNA πολυμεράση δημιουργεί ένα αντίγραφο ενός γονιδίου από το DNA στο mRNA όπως απαιτείται. Αυτή η διαδικασία διαφέρει ελαφρώς σε ευκαρυωτικά και προκαρυωτικά κύτταρα. Μία αξιοσημείωτη διαφορά, ωστόσο, είναι ότι η προκαρυωτική πολυμεράση RNA συνδέεται με ένζυμα επεξεργασίας DNA κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, έτσι ώστε η επεξεργασία να μπορεί να προχωρήσει κατά τη διάρκεια της μεταγραφής. Επομένως, αυτό αναγκάζει τον νέο κλώνο mRNA να γίνει διπλόκλωνος παράγοντας έναν συμπληρωματικό κλώνο γνωστό ως κλώνο tRNA, ο οποίος όταν συνδυάζεται δεν μπορεί να σχηματίσει δομές από τη σύζευξη βάσεων. Επιπλέον, το εκμαγείο για mRNA είναι ο συμπληρωματικός κλώνος του tRNA, ο οποίος είναι ταυτόσημος σε ακολουθία με την αλληλουχία αντικωδικονίου στην οποία συνδέεται το DNA. Το βραχύβιο, μη επεξεργασμένο ή μερικώς επεξεργασμένο προϊόν ονομάζεται πρόδρομο mRNA ή προ-mRNA (pre-mRNA). Μόλις ολοκληρωθεί η επεξεργασία, ονομάζεται ώριμο mRNA (mature mRNA).

Επεξεργασία (processing) ευκαρυωτικού προ-mRNAΕπεξεργασία

Η επεξεργασία του mRNA διαφέρει πολύ μεταξύ των ευκαρυωτικών κυττάρων, βακτηρίων και αρχαίων. Το μη ευκαρυωτικό mRNA είναι, στην ουσία, ώριμο κατά τη μεταγραφή και δεν απαιτεί επεξεργασία, εκτός από σπάνιες περιπτώσεις. [2] Το ευκαρυωτικό προ-mRNA, ωστόσο, απαιτεί πολλά βήματα επεξεργασίας πριν από τη μεταφορά του στο κυτταρόπλασμα και τη μετάφρασή του από το ριβόσωμα.

ΣυναρμογήΕπεξεργασία

Η εκτεταμένη επεξεργασία του ευκαρυωτικού προ-mRNA που οδηγεί στο ώριμο mRNA είναι η συναρμογή, ένας μηχανισμός (κατ' αναλογία με το γραμμικό μοντάζ σε ταινία) με τον οποίο μη κωδικοποιητικές περιοχές (βλ. εσώνια) αφαιρούνται και οι περιοχές κωδικοποίησης (βλ. εξώνια) ενώνονται μεταξύ τους.

Προσθήκη καλύπτρας 5'Επεξεργασία

Η καλύπτρα (κάλυμμα) 5' (αγγλ.: 5' cap) (ονομάζεται επίσης καλύπτρα RNA, καλύπτρα RNA (7-μεθυλογουανοσίνης) ή καλύπτρα RNA m 7 G) είναι ένα τροποποιημένο νουκλεοτίδιο γουανίνης που έχει προστεθεί στο "μπροστινό" ή άκρο 5' ενός ευκαρυωτικού αγγελιοφόρου RNA λίγο μετά την έναρξη της μεταγραφής. Η καλύπτρα 5' αποτελείται από ένα τερματικό υπόλειμμα 7-μεθυλογουανοσίνης που συνδέεται μέσω ενός 5'-5'-τριφωσφορικού δεσμού με το πρώτο μεταγραφέν νουκλεοτίδιο. Η παρουσία του είναι κρίσιμη για την αναγνώριση από το ριβόσωμα και την προστασία από ριβονουκλεάσες.

Η προσθήκη καλύπτρας συνδέεται με τη μεταγραφή και γίνεται συν-μεταγραφικά, έτσι ώστε το καθένα να επηρεάζει το άλλο. Λίγο μετά την έναρξη της μεταγραφής, το άκρο 5' του mRNA που συντίθεται δεσμεύεται από ένα σύμπλοκο σύνθεσης καλύπτρας που σχετίζεται με RNA πολυμεράση. Αυτό το ενζυματικό σύμπλοκο καταλύει τις χημικές αντιδράσεις που απαιτούνται για την κάλυψη του mRNA. Η σύνθεση προχωρά ως βιοχημική αντίδραση πολλαπλών σταδίων.

Τροποποίηση (editing)Επεξεργασία

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα mRNA δύναται να τροποποιηθεί, αλλάζοντας τη σύνθεση νουκλεοτιδίων αυτού του mRNA. Ένα παράδειγμα στους ανθρώπους είναι το mRNA του γονιδίου της απολιποπρωτεΐνης, το οποίο τροποποιείται σε ορισμένους ιστούς, αλλά όχι σε άλλους. Η τροποποίηση δημιουργεί ένα κωδικόνιο πρώιμης διακοπής, το οποίο, κατά τη μετάφραση, παράγει μια μικρότερη πρωτεΐνη.

ΠολυαδενυλίωσηΕπεξεργασία

Πολυαδενυλίωση (αγγλ.: polyadenylation) είναι η ομοιοπολική σύνδεση ενός τμήματος πολυαδενυλυλίου με ένα μόριο RNA αγγελιοφόρου. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς τα περισσότερα αγγελιοφόρα μόρια RNA (mRNA) πολυαδενυλιώνονται στο 3' άκρο, αλλά πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι μικρές εκτάσεις ουριδίνης (ολιγουριδυλίωση) είναι επίσης συχνές. [3] Η ουρά πολυ(A) (poly(A) tail) και η δεσμευμένη σε αυτήν πρωτεΐνη βοηθούν στην προστασία του mRNA από την αποδόμηση από εξονουκλεάσες.

Η πολυαδενυλίωση συμβαίνει κατά τη διάρκεια και / ή αμέσως μετά τη μεταγραφή του DNA σε RNA. Αφού τερματιστεί η μεταγραφή, η αλυσίδα mRNA διασπάται μέσω της δράσης ενός συμπλόκου ενδονουκλεάσης που σχετίζεται με πολυμεράση RNA. Μετά τη διάσπαση του mRNA, περίπου 250 υπολείμματα αδενοσίνης προστίθενται στο ελεύθερο άκρο 3 'στη θέση διάσπασης. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από πολυαδενυλική πολυμεράση. Όπως και στο εναλλακτικό μάτισμα, μπορεί να υπάρχουν περισσότερες από μία παραλλαγές πολυαδενυλίωσης ενός mRNA.

ΜεταφοράΕπεξεργασία

Μια άλλη διαφορά μεταξύ ευκαρυωτικών και προκαρυωτικών κυττάρων είναι η μεταφορά mRNA. Επειδή η ευκαρυωτική μεταγραφή και μετάφραση διαχωρίζονται εν μέρει, τα ευκαρυωτικά mRNAs πρέπει να εξάγονται από τον πυρήνα του κυττάρου στο κυτταρόπλασμα - μια διαδικασία που μπορεί να ρυθμίζεται από διαφορετικές οδούς σηματοδότησης. [4]. Τα ώριμα mRNA αναγνωρίζονται από τις επεξεργασμένες τροποποιήσεις τους και στη συνέχεια εξάγονται μέσω του πυρηνικού πόρου με δέσμευση στις πρωτεΐνες που δεσμεύουν το κάλυμμα CBP20 και CBP80,[5] καθώς και το σύμπλεγμα μεταγραφής / εξαγωγής (TREX).[6][7] Πολλοί τρόποι εξαγωγής mRNA έχουν αναγνωριστεί σε ευκαρυώτες.[8]

Σε χωρικά σύνθετα κύτταρα, ορισμένα mRNA μεταφέρονται σε συγκεκριμένους υποκυτταρικούς προορισμούς. Σε ώριμoυς νευρώνες, ορισμένα mRNA μεταφέρονται από το σώμα στους δενδρίτες. Μια θέση της μετάφρασης mRNA βρίσκεται σε πολυριβοσώματα που εντοπίζονται επιλεκτικά κάτω από συνάψεις[9] Το mRNA για Arc / Arg3.1 προκαλείται από συναπτική δραστηριότητα και εντοπίζεται επιλεκτικά κοντά σε ενεργές συνάψεις με βάση σήματα που παράγονται από υποδοχείς NMDA.[10] Άλλα mRNA κινούνται επίσης σε δενδρίτες σε απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα, όπως στο mRNA β-ακτίνης.[11] Κατά την εξαγωγή από τον πυρήνα, το mRNA της ακτίνης συσχετίζεται με το ZBP1 και την υπομονάδα 40S. Το σύμπλοκο δεσμεύεται από μια κινητική πρωτεΐνη και μεταφέρεται στη θέση στόχο (επέκταση νευρίτη) κατά μήκος του κυτταροσκελετού. Τελικά το ZBP1 φωσφορυλιώνεται από την Src για να ξεκινήσει η μετάφραση.[12] Στην ανάπτυξη των νευρώνων, τα mRNA μεταφέρονται επίσης σε αναπτυσσόμενους άξονες και ειδικά σε κώνους ανάπτυξης. Πολλά mRNA επισημαίνονται με τους λεγόμενους "ταχυδρομικούς κώδικες", οι οποίοι στοχεύουν τη μεταφορά τους σε μια συγκεκριμένη θέση.[13]

ΜετάφρασηΕπεξεργασία

Επειδή το προκαρυωτικό mRNA δεν χρειάζεται να υποβληθεί σε επεξεργασία ή μεταφορά (βλέπε πιο πάνω), η μετάφραση από το ριβόσωμα μπορεί να ξεκινήσει αμέσως μετά το τέλος της μεταγραφής. Επομένως, μπορεί να ειπωθεί ότι η προκαρυωτική μετάφραση συνδέεται με τη μεταγραφή και συμβαίνει συν-μεταγραφικά.

Το ευκαρυωτικό mRNA που έχει υποβληθεί σε επεξεργασία και μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα (δηλαδή, το ώριμο mRNA) μπορεί στη συνέχεια να μεταφραστεί από το ριβόσωμα. Η μετάφραση μπορεί να συμβεί στα ριβοσώματα που αιωρούνται ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα, ή να κατευθυνθεί στο ενδοπλασματικό δίκτυο από το σωματίδιο αναγνώρισης σήματος. Επομένως, σε αντίθεση με τους προκαρυώτες, η ευκαρυωτική μετάφραση δεν συνδέεται άμεσα με τη μεταγραφή. Είναι ακόμη πιθανό σε ορισμένα πλαίσια τα μειωμένα επίπεδα mRNA να συνοδεύονται από αυξημένα επίπεδα πρωτεΐνης, όπως έχει παρατηρηθεί για τα επίπεδα mRNA / πρωτεΐνης του EEF1A1 στον καρκίνο του μαστού.[14]

ΔομήΕπεξεργασία

 
Η δομή ενός ώριμου ευκαρυωτικού mRNA. Ένα πλήρως επεξεργασμένο mRNA περιλαμβάνει την καλύπτρα 5', την μη μεταφραζόμενη περιοχή 5', την κωδικοποιητική περιοχή, τη μη μεταφραζόμενη περιοχή 3' και την ουρά πολυ(A).

Κωδικοποιητικές περιοχέςΕπεξεργασία

Οι περιοχές κωδικοποίησης αποτελούνται από κωδικόνια, τα οποία αποκωδικοποιούνται και μεταφράζονται σε πρωτεΐνες από το ριβόσωμα· σε ευκαρυώτες συνήθως σε ένα και σε προκαρυώτες συνήθως σε πολλά. Οι περιοχές κωδικοποίησης ξεκινούν με κωδικόνιο έναρξης (start codon) και τελειώνουν με κωδικόνιο διακοπής (stop codon). Σε γενικές γραμμές, το κωδικόνιο έναρξης είναι ένα τριπλό AUG και το κωδικόνιο διακοπής είναι UAG ("κεχριμπάρι"), UAA ("ώχρα") ή UGA ("οπάλιο"). Οι κωδικοποιητικές περιοχές τείνουν να σταθεροποιούνται από εσωτερικά ζεύγη βάσεων, γεγονός που εμποδίζει την υποβάθμιση.[15][16] Εκτός από την κωδικοποίηση πρωτεΐνης, τμήματα κωδικοποιητικών περιοχών μπορούν να χρησιμεύσουν ως ρυθμιστικές αλληλουχίες στο πρόδρομο mRNA, ως εξωνικοί ενισχυτές ματίσματος (exonic splicing enhancers) ή εξωνικοί καταστολείς ματίσματος (exonic splicing silencers).

Αμετάφραστες περιοχέςΕπεξεργασία

Οι μη μεταφρασμένες περιοχές (UTRs) είναι τμήματα του mRNA πριν από το κωδικόνιο έναρξης και μετά το κωδικόνιο διακοπής που δεν μεταφράζονται, ονομάζονται μη μεταφραζόμενες περιοχές 5' και 3', αντίστοιχα. Αυτές οι περιοχές μεταγράφονται με την κωδικοποιητική περιοχή και έτσι είναι εξωνικές καθώς υπάρχουν στο ώριμο mRNA. Διάφοροι ρόλοι στην γονιδιακή έκφραση έχουν αποδοθεί στις μη μεταφρασμένες περιοχές, συμπεριλαμβανομένης της σταθερότητας του mRNA, του εντοπισμού του mRNA και της μεταφραστικής αποτελεσματικότητας (translational efficiency). Η ικανότητα ενός UTR να εκτελεί αυτές τις λειτουργίες εξαρτάται από την ακολουθία του UTR και μπορεί να διαφέρει μεταξύ των mRNA. Γενετικές παραλλαγές σε UTR 3' έχουν επίσης εμπλακεί στην ευαισθησία της νόσου λόγω της αλλαγής στη δομή του RNA και στη μετάφραση πρωτεϊνών.[17]

Η σταθερότητα των mRNAs μπορεί να ελέγχεται από το UTR 5' και/ή 3' λόγω της ποικίλης συγγένειας για τα ένζυμα αποικοδόμησης RNA που ονομάζονται ριβονουκλεάσες και για βοηθητικές πρωτεΐνες που μπορούν να προάγουν ή να αναστέλλουν την αποδόμηση του RNA.

Η αποτελεσματικότητα της μετάφρασης, συμπεριλαμβανομένης μερικές φορές της πλήρους αναστολής της μετάφρασης, μπορεί να ελεγχθεί από τα UTR. Οι πρωτεΐνες που δεσμεύονται είτε στο UTR 3' ή 5' μπορεί να επηρεάσουν τη μετάφραση επηρεάζοντας την ικανότητα του ριβοσώματος να δεσμεύεται στο mRNA. Το μικροRNA που συνδέεται με το UTR 3' μπορεί επίσης να επηρεάσει τη μεταφραστική απόδοση ή τη σταθερότητα του mRNA.

Ο κυτταροπλασματικός εντοπισμός του mRNA θεωρείται ότι είναι συνάρτηση του UTR 3'. Οι πρωτεΐνες που απαιτούνται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του κυττάρου μπορούν επίσης να μεταφραστούν εκεί. Σε μια τέτοια περίπτωση, το UTR 3' μπορεί να περιέχει ακολουθίες που επιτρέπουν το μεταγράφημα να εντοπιστεί σε αυτήν την περιοχή για μετάφραση.

Μερικά από τα στοιχεία που περιέχονται σε αμετάφραστες περιοχές σχηματίζουν μια χαρακτηριστική δευτεροταγή δομή όταν μεταγράφονται σε RNA. Αυτά τα δομικά στοιχεία mRNA εμπλέκονται στη ρύθμιση του mRNA. Μερικά, όπως το στοιχείο SECIS, είναι στόχοι δέσμευσης πρωτεϊνών. Μία κατηγορία στοιχείου mRNA, οι ριβοδιακόπτες, συνδέουν άμεσα μικρά μόρια, αλλάζοντας την πτυχή τους για να τροποποιήσουν τα επίπεδα μεταγραφής ή μετάφρασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το mRNA ρυθμίζει τον εαυτό του.

Ουρά πολυ(Α)Επεξεργασία

Η ουρά 3' πολυ(Α) είναι μια μακρά αλληλουχία νουκλεοτιδίων αδενίνης (συχνά αρκετές εκατοντάδες) που προστίθενται στο 3' άκρο του πρόδρομου mRNA. Αυτή η ουρά προάγει την εξαγωγή από τον πυρήνα και τη μετάφραση και προστατεύει το mRNA από την υποβάθμιση.

Μονοσιστρονικό έναντι πολυσιστρονικού mRNAΕπεξεργασία

Ένα μόριο mRNA λέγεται ότι είναι μονοσιστρονικό όταν περιέχει τις γενετικές πληροφορίες για μετάφραση μόνο μιας μόνοπρωτεϊνικής αλυσίδας (πολυπεπτίδιο). Αυτό ισχύει για τα περισσότερα από τα ευκαρυωτικά κύτταρα mRNA. Αυτό συμβαίνει για τα περισσότερα ευκαρυωτικά mRNAs.[18][19] Από την άλλη πλευρά, το πολυσιστρονικό mRNA φέρει πολλά ανοιχτά πλαίσια ανάγνωσης (open reading frames, ORFs), καθένα από τα οποία μεταφράζεται σε πολυπεπτίδιο. Αυτά τα πολυπεπτίδια έχουν συνήθως μια σχετική λειτουργία (συχνά είναι οι υπομονάδες που συνθέτουν μια τελική σύνθετη πρωτεΐνη) και η κωδικοποιητική τους αλληλουχία ομαδοποιείται και ρυθμίζεται μαζί σε μια ρυθμιστική περιοχή, που περιέχει έναν υποκινητή και έναν χειριστή. Το μεγαλύτερο μέρος του mRNA που βρίσκεται στα βακτήρια και στα [αρχαία]] είναι πολυσιστρονικό,[18] όπως και το ανθρώπινο μιτοχονδριακό γονιδίωμα.[20] Το δισιστρονικό mRNA κωδικοποιεί μόνο δύο πρωτεῒνες.

Κυκλοφορία του mRNAΕπεξεργασία

Τα ευκαρυωτικά μόρια mRNA σχηματίζουν κυκλικές δομές λόγω αλληλεπίδρασης μεταξύ του ευκαρυωτικού παράγοντα έναρξης της πρωτεϊνοσύνθεσης 4E (eIF4E) και της προσδένουσας πρωτεΐνης πολυ (Α), οι οποίοι και οι δύο συνδέονται με eIF4G, σχηματίζοντας γέφυρα mRNA-πρωτεΐνης-mRNA.[21] Η κυκλοφορία πιστεύεται ότι προάγει τον κύκλο ριβοσωμάτων στο mRNA που οδηγεί σε αποδοτική από το χρόνο μετάφραση και μπορεί επίσης να λειτουργήσει για να διασφαλίσει ότι μόνο άθικτο mRNA μεταφράζεται (μερικώς αποικοδομημένο mRNA χαρακτηριστικά δεν έχει κάλυμμα m7G ή ουρά πολυ-Α).[22]

Υπάρχουν άλλοι μηχανισμοί για την κυκλοφορία, ιδιαίτερα στο ιικό mRNA. Το mRNA του ιού της πολυιμυελίτιδας χρησιμοποιεί ένα τμήμα τριφυλλιού προς το άκρο του 5' για να δεσμεύσει το PCBP2, το οποίο δεσμεύει την πρωτεΐνη σύνδεσης πολυ(Α), σχηματίζοντας τον γνωστό κύκλο mRNA-πρωτεΐνης-mRNA. Ο Ο ιός του κίτρινου νανισμού του κριθαριού (Barley yellow dwarf virus) έχει σύνδεση μεταξύ τμημάτων του mRNA στο άκρο 5 'και 3' (που ονομάζονται βρόχοι βλαστικών φιλιών (kissing stem loops)), κυκλοφορεί το mRNA χωρίς να εμπλέκονται πρωτεΐνες.

Τα γονιδιώματα του ιού RNA (των οποίων οι + κλώνοι μεταφράζονται ως mRNA) κυκλοφορούν επίσης συνήθως. Κατά τη διάρκεια της αναπαραγωγής του γονιδιώματος, η κυκλοφορία δρα για να αυξήσει τις ταχύτητες αναπαραγωγής του γονιδιώματος, ανακυκλώνοντας πολύ την πολυμεράση RNA που εξαρτάται από ιικό RNA.

ΑποικοδόμησηΕπεξεργασία

Διαφορετικά mRNA στο ίδιο κελί έχουν διαφορετική διάρκεια ζωής (σταθερότητα). Στα βακτηριακά κύτταρα, τα μεμονωμένα mRNA μπορούν να επιβιώσουν από δευτερόλεπτα έως περισσότερο από μία ώρα. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής κυμαίνεται μεταξύ 1 και 3 λεπτών, καθιστώντας το βακτηριακό mRNA πολύ λιγότερο σταθερό από το ευκαρυωτικό mRNA.[23] Στα κύτταρα των θηλαστικών, η διάρκεια ζωής του mRNA κυμαίνεται από αρκετά λεπτά έως ημέρες.[24] Όσο μεγαλύτερη είναι η σταθερότητα ενός mRNA, τόσο περισσότερη πρωτεΐνη μπορεί να παραχθεί από αυτό το mRNA. Η περιορισμένη διάρκεια ζωής του mRNA επιτρέπει σε ένα κύτταρο να μεταβάλλει γρήγορα τη σύνθεση πρωτεϊνών σε απάντηση των μεταβαλλόμενων αναγκών του. Υπάρχουν πολλοί μηχανισμοί που οδηγούν στην καταστροφή ενός mRNA, μερικοί από τους οποίους περιγράφονται παρακάτω.

Αποικοδόμηση προκαρυωτικού mRNAΕπεξεργασία

Γενικά, στα προκαρυωτικά κύτταρα η διάρκεια ζωής του mRNA είναι πολύ μικρότερη από ό,τι στα ευκαρυωτικά. Τα προκαρυωτικά αποικοδομούν μηνύματα χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό ριβονουκλεασών, συμπεριλαμβανομένων ενδονουκλεασών, 3' εξωνουκλεασών και 5' εξονουκλεασών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μικρά μόρια RNA (sRNA) μεγέθους δεκάδων έως εκατοντάδων νουκλεοτιδίων μπορούν να διεγείρουν την αποικοδόμηση συγκεκριμένων mRNA με σύζευξη βάσης με συμπληρωματικές αλληλουχίες και διευκόλυνση της διάσπασης ριβονουκλεάσης από ριβονουκλεάση III. Πρόσφατα αποδείχθηκε ότι τα βακτήρια έχουν επίσης ένα είδος 5' καλύμματος που αποτελείται από ένα τριφωσφορικό άλας στο άκρο 5'.[25] Η απομάκρυνση δύο από τα φωσφορικά αφήνει ένα μονοφωσφορικό 5', προκαλώντας την καταστροφή του μηνύματος από την εξωνουκλεάση RNase J, η οποία αποικοδομεί το 5' σε 3'.

Αναπλήρωση ευκαρυωτικού mRNAΕπεξεργασία

Μέσα στα ευκαρυωτικά κύτταρα, υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ των διεργασιών μετάφρασης και διάσπασης mRNA. Τα μηνύματα που μεταφράζονται ενεργά δεσμεύονται από ριβοσώματα, τους ευκαρυωτικούς παράγοντες έναρξης eIF-4E και eIF-4G, και την πρωτεΐνη σύνδεσης πολυ(Α). Τα eIF-4E και eIF-4G μπλοκάρουν το αποσπασμένο ένζυμο (DCP2) και η πρωτεΐνη σύνδεσης πολυ(Α) μπλοκάρει το σύμπλεγμα εξωσωμάτων, προστατεύοντας τα άκρα του μηνύματος. Η ισορροπία μεταξύ της μετάφρασης και της αποσύνθεσης αντανακλάται στο μέγεθος και την αφθονία των κυτταροπλασματικών δομών που είναι γνωστές ως σωμάτια P (σωμάτια επεξεργασίας)[26] Η ουρά πολυ (Α) του mRNA συντομεύεται από εξειδικευμένες εξωνουκλεάσες που στοχεύουν σε συγκεκριμένα αγγελιοφόρα RNAs με ένα συνδυασμό cis-ρυθμιστικών αλληλουχιών στο RNA και σε trans-δραστικές πρωτεΐνες που δεσμεύουν το RNA. Η αφαίρεση της ουράς πολυ(A) θεωρείται ότι διαταράσσει την κυκλική δομή του μηνύματος και αποσταθεροποιεί το σύμπλεγμα πρόσδεσης καλύπτρας. Στη συνέχεια, το μήνυμα υπόκειται σε αποικοδόμηση είτε από το σύμπλεγμα εξωσώματος (exosome complex), είτε από το σύμπλοκο αποκάλυψης (decapping complex). Με αυτόν τον τρόπο, τα μεταφραστικά ανενεργά μηνύματα μπορούν να καταστραφούν γρήγορα, ενώ τα ενεργά μηνύματα παραμένουν ανέπαφα. Ο μηχανισμός με τον οποίο σταματά η μετάφραση και το μήνυμα παραδίδεται σε σύμπλοκα αποσύνθεσης δεν είναι κατανοητό λεπτομερώς.

Διάσπαση ενώσεων πλούσιων σε αδενυλικό-ουριδυλικό (AU-rich element decay)Επεξεργασία

Η παρουσία ενώσεων πλούσιων σε αδενυλικές-ουριδυλικές ενώσεις σε ορισμένα mRNA θηλαστικών τείνει να αποσταθεροποιήσει αυτά τα μετάγραφα μέσω της δράσης κυτταρικών πρωτεϊνών που δεσμεύουν αυτές τις αλληλουχίες και διεγείρουν την απομάκρυνση της ουράς πολυ(Α). Η απώλεια της ουράς πολυ(Α) θεωρείται ότι προάγει την αποικοδόμηση του mRNA διευκολύνοντας την επίθεση και από το σύμπλεγμα εξωσωμάτων[27] και από το σύμπλοκο αποκάλυψης.[28] Η ταχεία αποικοδόμηση του mRNA μέσω ενώσεων πλούσιων σε αδενυλικό-ουριδυλικό είναι ένας κρίσιμος μηχανισμός για την πρόληψη της υπερπαραγωγής ισχυρών κυτοκινών όπως ο παράγοντας νέκρωσης όγκων (tumor necrosis factor, TNF) και ο παράγοντας διέγερσης αποικιών κοκκιοκυττάρων-μακροφάγων (GM-CSF).[29] Τα στοιχεία που είναι πλούσια σε αδενυλικό-ουριδυλικό (AU) ρυθμίζουν επίσης τη βιοσύνθεση των πρωτο-ογκογονικών παραγόντων μεταγραφής όπως c-Jun και c-Fos.[30]

Ανοηματικά μεσολαβούμενη αποσύνθεση (nonsense-mediated decay)Επεξεργασία

Τα ευκαρυωτικά μηνύματα υπόκεινται σε επίβλεψη από ανοηματικά μεσολαβούμενη αποσύνθεση (NMD), η οποία ελέγχει την παρουσία πρόωρων κωδικονίων διακοπής (ανοητικά κωδικόνια) στο μήνυμα. Αυτά μπορεί να προκύψουν μέσω ατελούς ματίσματος, ανασυνδυασμού V(D)J στο επίκτητη ανοσία, μεταλλάξεις στο DNA, σφάλματα μεταγραφής, διαρροή σάρωσης (leaky scanning) από το ριβόσωμα προκαλώντας μετατόπιση πλαισίου (frame shift) και άλλες αιτίες. Η ανίχνευση ενός πρόωρου κωδικονίου τερματισμού ενεργοποιεί την αποικοδόμηση mRNA με 5' αποκάλυψη, αφαίρεση ουράς 3' πολυ(Α) ή ενδονουκλεολυτική διάσπαση. [31]

Μικρό παρεμβαλλόμενο RNA (Small interfering RNA (siRNA))Επεξεργασία

Στα μετάζωα, μικρά παρεμβαλλόμενα RNA (siRNAs) επεξεργασμένα από Dicer ενσωματώνονται σε ένα σύμπλεγμα γνωστό ως επαγόμενο από RNA σύμπλοκο αποσιώπησης (RNA-induced silencing complex ή RISC). Αυτό το σύμπλεγμα περιέχει μια ενδονουκλεάση που διασπά απόλυτα συμπληρωματικά μηνύματα στα οποία δεσμεύεται το siRNA. Τα προκύπτοντα θραύσματα mRNA καταστρέφονται μετά από εξωνουκλεάσες. Το siRNA χρησιμοποιείται συνήθως σε εργαστήρια για τον αποκλεισμό της λειτουργίας των γονιδίων στην κυτταρική καλλιέργεια. Πιστεύεται ότι είναι μέρος του έμφυτου ανοσοποιητικού συστήματος ως άμυνα κατά των ιών διπλού κλώνου RNA.[32]

ΜικροRNA (MicroRNA ή miRNA)Επεξεργασία

Τα MicroRNAs (miRNAs) είναι μικρά RNA που τυπικά είναι εν μέρει συμπληρωματικά προς τις αλληλουχίες των μεταζωικών αγγελιοφόρων RNA.[33] Η δέσμευση ενός miRNA σε ένα μήνυμα μπορεί να καταστέλλει τη μετάφραση αυτού του μηνύματος και να επιταχύνει την αφαίρεση της ουράς πολυ(Α), επιταχύνοντας έτσι την αποικοδόμηση του mRNA. Ο μηχανισμός δράσης των miRNAs είναι το αντικείμενο ενεργού έρευνας.[34]

Άλλοι μηχανισμοί αποσύνθεσηςΕπεξεργασία

Υπάρχουν και άλλοι τρόποι με τους οποίους τα μηνύματα μπορούν να αποικοδομηθούν, συμπεριλαμβανομένης της αποικοδόμησης μη τερματισμού (non-stop decay) και της σίγασης από Piwi-αλληλεπιδρόν RNA (Piwi-interactive RNA ή piRNA), μεταξύ άλλων.

ΕφαρμογέςΕπεξεργασία

Τα εμβόλια που βασίζονται στο mRNA έχουν παραδοθεί κατά εκατοντάδες εκατομμύρια από τις αρχικές εγκρίσεις τους τον Δεκέμβριο του 2020.

Μόρια mRNA πλήρους μεγέθους έχουν προταθεί ως θεραπευτικά από την αρχή της εποχής βιοτεχνολογίας. Το πεδίο δραστηριοποιήθηκε το 2012 όταν Moderna Therapeutics συγκέντρωσε σχεδόν ένα δισεκατομμύριο δολάρια σε χρηματοδότηση επιχειρηματικών συμμετοχών κατά τα πρώτα τρία χρόνια.[35][36][37][38]

Θεωρητικά, η χορήγηση αλληλουχίας αγγελιοφόρου RNA τροποποιημένου νουκλεοσιδίου (nucleoside-modified messenger RNA) μπορεί να προκαλέσει ένα κύτταρο να παράγει μια πρωτεΐνη, η οποία με τη σειρά της θα μπορούσε να θεραπεύσει άμεσα μια ασθένεια ή θα μπορούσε να λειτουργήσει ως εμβόλιο. Πιο έμμεσα η πρωτεΐνη θα μπορούσε να οδηγήσει ένα ενδογενές βλαστοκύτταρο να διαφοροποιηθεί με τον επιθυμητό τρόπο.[39][40]

Οι κύριες προκλήσεις της θεραπείας RNA επικεντρώνονται στην παροχή του RNA στα κατάλληλα κύτταρα. [36] Οι προκλήσεις περιλαμβάνουν το γεγονός ότι οι γυμνές αλληλουχίες RNA υποβαθμίζονται φυσικά μετά την προετοιμασία. Μπορεί να προκαλέσουν το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος να τους επιτεθεί ως εισβολέας και είναι αδιαπέραστες στην κυτταρική μεμβράνη.[40] Μόλις βρεθούν μέσα στο κύτταρο, πρέπει στη συνέχεια να εγκαταλείψουν τον μηχανισμό μεταφοράς του κυττάρου για να δράσουν μέσα στο κυτταρόπλασμα, το οποίο στεγάζει τα απαραίτητα ριβοσώματα.[39]

Οι θεραπείες που βασίζονται στο mRNA διερευνώνται ως μέθοδος θεραπείας ή θεραπείας για καρκίνο, αυτοάνοσες ασθένειες, μεταβολικές ασθένειες και αναπνευστικές φλεγμονώδεις ασθένειες. Θεραπείες επεξεργασίας γονιδίων όπως το CRISPR μπορούν επίσης να επωφεληθούν από τη χρήση mRNA για να προκαλέσουν σε κύτταρα την παραγωγή της επιθυμητής πρωτεΐνης Cas.[41]

ΠαραπομπέςΕπεξεργασία

  1. Cobb, Matthew (29 June 2015). «Who discovered messenger RNA?». Current Biology 25 (13): R526–R532. doi:10.1016/j.cub.2015.05.032. PMID 26126273. 
  2. Watson, James D. (22 Φεβρουαρίου 2013). Molecular Biology of the Gene, 7th edition. Pearson Higher Ed USA. ISBN 9780321851499. 
  3. Choi et al. RNA. 2012. 18: 394–401
  4. «Regulation of mRNA export by the PI3 kinase/AKT signal transduction pathway». Molecular Biology of the Cell 24 (8): 1208–1221. April 2013. doi:10.1091/mbc.E12-06-0450. PMID 23427269. 
  5. «The Arabidopsis CBP20 targets the cap-binding complex to the nucleus, and is stabilized by CBP80». The Plant Journal 59 (5): 814–825. September 2009. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.03915.x. PMID 19453442. 
  6. «TREX is a conserved complex coupling transcription with messenger RNA export». Nature 417 (6886): 304–308. May 2002. doi:10.1038/nature746. PMID 11979277. Bibcode2002Natur.417..304S. 
  7. «Roles of the TREX complex in nuclear export of mRNA». RNA Biology 6 (2): 149–152. 27 October 2014. doi:10.4161/rna.6.2.8046. PMID 19229134. 
  8. «Genome analysis reveals interplay between 5'UTR introns and nuclear mRNA export for secretory and mitochondrial genes». PLOS Genetics 7 (4): e1001366. April 2011. doi:10.1371/journal.pgen.1001366. PMID 21533221. 
  9. «Preferential localization of polyribosomes under the base of dendritic spines in granule cells of the dentate gyrus». The Journal of Neuroscience 2 (3): 284–291. March 1982. doi:10.1523/JNEUROSCI.02-03-00284.1982. PMID 7062109. 
  10. «Selective targeting of newly synthesized Arc mRNA to active synapses requires NMDA receptor activation». Neuron 30 (1): 227–240. April 2001. doi:10.1016/s0896-6273(01)00275-6. PMID 11343657. 
  11. «Localization and translation of mRNA in dendrites and axons». Nature Reviews. Neuroscience 2 (12): 889–898. December 2001. doi:10.1038/35104069. PMID 11733796. 
  12. Hüttelmaier, S.; Zenklusen, D.; Lederer, M.; Dictenberg, J.; Lorenz, M.; Meng, X.; Bassell, G. J.; Condeelis, J. και άλλοι. (2005). «Spatial regulation of bold β-actin translation by Src-dependent phosphorylation of ZBP1». Nature 438 (7067): 512–515. doi:10.1038/nature04115. PMID 16306994. 
  13. «Transport and localization elements in myelin basic protein mRNA». The Journal of Cell Biology 138 (5): 1077–1087. September 1997. doi:10.1083/jcb.138.5.1077. PMID 9281585. 
  14. «Contradictory mRNA and protein misexpression of EEF1A1 in ductal breast carcinoma due to cell cycle regulation and cellular stress». Scientific Reports 8 (1): 13904. September 2018. doi:10.1038/s41598-018-32272-x. PMID 30224719. Bibcode2018NatSR...813904L. 
  15. «A periodic pattern of mRNA secondary structure created by the genetic code». Nucleic Acids Research 34 (8): 2428–2437. 2006. doi:10.1093/nar/gkl287. PMID 16682450. 
  16. «Widespread selection for local RNA secondary structure in coding regions of bacterial genes». Genome Research 13 (9): 2042–2051. September 2003. doi:10.1101/gr.1257503. PMID 12952875. 
  17. «IFNL3 mRNA structure is remodeled by a functional non-coding polymorphism associated with hepatitis C virus clearance». Scientific Reports 5: 16037. November 2015. doi:10.1038/srep16037. PMID 26531896. Bibcode2015NatSR...516037L. 
  18. 18,0 18,1 «Comparison of initiation of protein synthesis in procaryotes, eucaryotes, and organelles». Microbiological Reviews 47 (1): 1–45. March 1983. doi:10.1128/MMBR.47.1.1-45.1983. PMID 6343825. 
  19. «Synexpression groups in eukaryotes». Nature 402 (6761): 483–487. December 1999. doi:10.1038/990025. PMID 10591207. Bibcode1999Natur.402..483N. 
  20. «The human mitochondrial transcriptome». Cell 146 (4): 645–658. August 2011. doi:10.1016/j.cell.2011.06.051. PMID 21854988. 
  21. «Circularization of mRNA by eukaryotic translation initiation factors». Molecular Cell 2 (1): 135–140. July 1998. doi:10.1016/S1097-2765(00)80122-7. PMID 9702200. 
  22. «Protein synthesis in eukaryotes: the growing biological relevance of cap-independent translation initiation». Biological Research 38 (2–3): 121–146. 2005. doi:10.4067/S0716-97602005000200003. PMID 16238092. 
  23. Lewin, Benjamin· Krebs, Jocelyn E.· Kilpatrick, Stephen T.· Goldstein, Elliott S., επιμ. (2011). Lewin's genes X  (10th έκδοση). Sudbury, Mass.: Jones and Bartlett. ISBN 9780763766320. OCLC 456641931. 
  24. «Structural and functional analysis of an mRNP complex that mediates the high stability of human beta-globin mRNA». Molecular and Cellular Biology 21 (17): 5879–5888. September 2001. doi:10.1128/mcb.21.17.5879-5888.2001. PMID 11486027. 
  25. «The bacterial enzyme RppH triggers messenger RNA degradation by 5' pyrophosphate removal». Nature 451 (7176): 355–358. January 2008. doi:10.1038/nature06475. PMID 18202662. Bibcode2008Natur.451..355D. 
  26. «P bodies and the control of mRNA translation and degradation». Molecular Cell 25 (5): 635–646. March 2007. doi:10.1016/j.molcel.2007.02.011. PMID 17349952. 
  27. «AU binding proteins recruit the exosome to degrade ARE-containing mRNAs». Cell 107 (4): 451–464. November 2001. doi:10.1016/S0092-8674(01)00578-5. PMID 11719186. 
  28. «Multiple processing body factors and the ARE binding protein TTP activate mRNA decapping». Molecular Cell 20 (6): 905–915. December 2005. doi:10.1016/j.molcel.2005.10.031. PMID 16364915. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2011-06-06. https://web.archive.org/web/20110606091412/http://www.colorado.edu/mcdb/Lykke_Andersen/PDFs/Multiple_processingBody.pdf. Ανακτήθηκε στις 2021-05-25. 
  29. «A conserved AU sequence from the 3' untranslated region of GM-CSF mRNA mediates selective mRNA degradation». Cell 46 (5): 659–667. August 1986. doi:10.1016/0092-8674(86)90341-7. PMID 3488815. 
  30. «AU-rich elements: characterization and importance in mRNA degradation». Trends in Biochemical Sciences 20 (11): 465–470. November 1995. doi:10.1016/S0968-0004(00)89102-1. PMID 8578590. 
  31. «Quality control of eukaryotic mRNA: safeguarding cells from abnormal mRNA function». Genes & Development 21 (15): 1833–1856. August 2007. doi:10.1101/gad.1566807. PMID 17671086. 
  32. «The evolution of RNAi as a defence against viruses and transposable elements». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 364 (1513): 99–115. January 2009. doi:10.1098/rstb.2008.0168. PMID 18926973. 
  33. «Principles of microRNA-target recognition». PLOS Biology 3 (3): e85. March 2005. doi:10.1371/journal.pbio.0030085. PMID 15723116. 
  34. «Deadenylation is a widespread effect of miRNA regulation». RNA 15 (1): 21–32. January 2009. doi:10.1261/rna.1399509. PMID 19029310. 
  35. Gregory Huang (6 Δεκεμβρίου 2012). «Moderna, $40M in Tow, Hopes to Reinvent Biotech with "Make Your Own Drug"». Xconomy. 
  36. 36,0 36,1 «Advances in the delivery of RNA therapeutics: from concept to clinical reality». Genome Medicine 9 (1): 60. June 2017. doi:10.1186/s13073-017-0450-0. PMID 28655327. 
  37. Crow, David (7 September 2017). «Moderna pledge sets investor pulses racing; Biotech group promises to rewrite rules of drug development - though sceptics say $5bn valuation is undeserved». Financial Times. https://www.ft.com/content/ab138504-8c2e-11e7-a352-e46f43c5825d. 
  38. Adams, Ben (September 14, 2017). «Moderna changes up R&D model, posts cancer, CV trial updates». FierceBiotech. http://www.fiercebiotech.com/biotech/moderna-changes-up-r-d-model-posts-cancer-cv-trial-updates. 
  39. 39,0 39,1 «Tools for translation: non-viral materials for therapeutic mRNA delivery». Nature Reviews Materials 2 (10): 17056. 12 September 2017. doi:10.1038/natrevmats.2017.56. Bibcode2017NatRM...217056H. 
  40. 40,0 40,1 «RNA-Based Therapeutics and Vaccines». Genetic Engineering News. September 15, 2015. https://www.genengnews.com/gen-exclusives/rna-based-therapeutics-and-vaccines/77900520. 
  41. Haridi, Rich (23 Απριλίου 2021). «The mRNA revolution: How COVID-19 hit fast-forward on an experimental technology». New Atlas (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 26 Απριλίου 2021. 

Παραπέρα μελέτηΕπεξεργασία

Εξωτερικοί σύνδεσμοιΕπεξεργασία