RNA termometresi - RNA thermometer

FourU termometre RNA motifi, Shine-Dalgarno dizisi vurgulanmıştır.

Bir RNA termometresi (veya RNA termosensörü) bir sıcaklık -hassas kodlamayan RNA düzenleyen molekül gen ifadesi. RNA termometreleri genellikle her iki durumda da gerekli genleri düzenler ısı şoku veya soğuk şok yanıt, ancak aşağıdaki gibi diğer düzenleyici rollere dahil edilmiştir. patojenite ve açlık.[1]

Genel olarak, RNA termometreleri ikincil yapı sıcaklık dalgalanmalarına yanıt olarak. Bu yapısal geçiş daha sonra önemli RNA bölgelerini açığa çıkarabilir veya tıkayabilir. ribozom bağlanma bölgesi, bu daha sonra tercüme yakındaki bir protein kodlama oranı gen.

RNA termometreleri ile birlikte riboswitchler, örnek olarak kullanılmıştır. RNA dünyası hipotezi. Bu teori, RNA'nın bir zamanlar tek nükleik asit hücrelerde mevcut ve mevcut ile değiştirildi DNA → RNA → protein sistemi.[2]

RNA termometrelerinin örnekleri şunları içerir: FourU,[3] Hsp90 cisdüzenleyici unsur,[4] ROSE öğesi,[5] Lig RNA termometresi[6], ve Hsp17 termometre.[7]

Keşif

İlk sıcaklığa duyarlı RNA öğesi 1989'da rapor edildi.[8] Bu araştırmadan önce, mutasyonlar transkripsiyon başlangıç ​​sitesi içinde lambda (λ) faj cIII mRNA cIII proteininin translasyon seviyesini etkilediği bulunmuştur.[9] Bu protein, bir litik veya lizojenik lysogeny'yi teşvik eden yüksek cIII konsantrasyonları ile λ fajdaki yaşam döngüsü.[9] Bu yukarı akış RNA bölgesinin daha ileri çalışması, iki alternatif belirledi ikincil yapılar; deneysel çalışma yapıların birbirinin yerine geçebileceğini ve her ikisine de bağımlı olduğunu buldu. magnezyum iyonu konsantrasyon ve sıcaklık.[8][10] Bu RNA termometresinin, ısı stresi altında litik bir döngüye girişi teşvik ettiği düşünülmektedir. bakteriyofaj hızlı bir şekilde çoğalmak ve konakçı hücreyi terk etmek.[1]

"RNA termometresi" terimi 1999 yılına kadar icat edilmedi,[11] uygulandığında rpoH RNA öğesi Escherichia coli.[12] Son zamanlarda, biyoinformatik Birkaç yeni aday RNA termometresini ortaya çıkarmak için araştırmalar yapılmıştır.[13] Geleneksel sıra tabanlı aramalar verimsizdir, ancak öğenin ikincil yapısı çok daha fazladır. korunmuş den nükleik asit dizisi.[13]

Dağıtım

Bilinen RNA termometrelerinin çoğu, 5, çevrilmemiş bölge (UTR) mesajcı RNA kodlaması ısı şoku proteinleri —Bu gerçeğin kısmen de olsa örnekleme önyargısı ve kısa, korunmamış RNA dizilerini tespit etmenin doğal zorlukları genomik veriler.[14][15]

Ağırlıklı olarak içinde bulunmasına rağmen prokaryotlar, potansiyel bir RNA termometresi bulundu memeliler dahil olmak üzere insanlar.[16] Aday termosensör ısı şoku RNA-1 (HSR1), ısı şoku transkripsiyon faktörü 1 (HSF1) ve hücre sıcaklığı 37 ° C'yi (vücut ısısı ), böylece hücrelerin aşırı ısınmasını önler.[16]

Yapısı

Yapısının 3B gösterimi GÜL RNA termometresi.[17]

RNA termometreleri yapısal olarak basittir ve kısa RNA dizilerinden yapılabilir; en küçüğü sadece 44 nükleotidler ve bir ısı şoku proteininin mRNA'sında bulunur, hsp17, içinde Synechocystis Türler PCC 6803.[18][19] Genellikle bu RNA elementlerinin uzunluğu 60-110 nükleotid arasında değişir[20] ve tipik olarak bir saç tokası yapının stabilitesini azaltan, böylece bir sıcaklık artışına yanıt olarak daha kolay açılmasına izin veren az sayıda uyumsuz baz çifti ile.[21]

ROSE RNA termometresinin ayrıntılı yapısal analizi, uyumsuz bazların aslında RNA'nın sarmal yapısını koruyan standart olmayan temel eşleştirmeye dahil olduğunu ortaya çıkardı (şekle bakın). Olağandışı taban çiftleri G-G, U-U ve UC-U çiftlerinden oluşur. Bu kanonik olmayan baz çiftleri nispeten kararsız olduğundan, artan sıcaklık bu bölgedeki RNA yapısının yerel erimesine neden olarak Shine-Dalgarno dizisini açığa çıkarır.[17]

Bazı RNA termometreleri, tek bir saç tokasından önemli ölçüde daha karmaşıktır, tıpkı bir bölgede olduğu gibi. CspA mRNA içerdiği düşünülen pseudoknot ve birden fazla saç tokası.[22][23]

Sentetik RNA termometreleri, basit bir tek firkete yapısıyla tasarlanmıştır.[24] Ancak ikincil yapı Bu tür kısa RNA termometrelerinin tek bir tanesi olarak mutasyona duyarlı olabilir. baz değişikliği firketeyi devre dışı bırakabilir in vivo.[25]

Mekanizma

Sabit bir saç tokası (ayrıldı) daha yüksek bir sıcaklıkta açılır (sağ). Vurgulanan Shine-Dalgarno dizisi açığa çıkar ve bağlanmasına izin verir 30S ribozomal alt birim.[1]

RNA termometreleri, 5′ Haberci RNA'nın UTR'si, protein kodlayan bir genin üst akışı.[1] Burada ribozom bağlanma bölgesini (RBS) tıkayabilirler ve mRNA'nın proteine ​​çevrilmesini önleyebilirler.[14] Sıcaklık arttıkça, firkete yapısı 'eriyebilir' ve RBS'yi veya Shine-Dalgarno dizisi küçük ribozomal alt birimin bağlanmasına izin vermek için (30S ), daha sonra diğer çeviri makinelerini bir araya getirir.[1] kodonu başlat, tipik olarak Shine-Dalgarno dizisinin aşağı akışında 8 nükleotid bulundu,[14] protein kodlayan bir genin başlangıcını işaret eder ve daha sonra bir peptid tarafından ürün ribozom. Buna ek olarak cisoynayan mekanizma, yalnız bir örnek transoynayan RNA termometresi bulundu RpoS mRNA açlık tepkisine dahil olduğu düşünülüyor.[1]

Bir RNA termometre motifinin belirli bir örneği, içinde bulunan FourU termometredir. Salmonella enterica.[3] 45 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklara maruz kaldığında, gövde halkası o baz çiftleri Shine-Dalgarno sekansının tersi eşleşmez ve mRNA'nın translasyonun gerçekleşmesi için ribozoma girmesine izin verir.[25] Mg2+ iyon konsantrasyonunun FourU'nun kararlılığını da etkilediği gösterilmiştir.[26] En iyi çalışılmış RNA termometresi, rpoH içindeki gen Escherichia coli.[27] Bu termosensör, yüksek sıcaklıklarda ısı şok proteinlerini σ ile yukarı doğru düzenler.32, özel bir ısı şoku sigma faktörü.[11]

Tipik olarak ısı ile indüklenen protein ekspresyonu ile ilişkili olsa da, RNA termometreleri aynı zamanda soğuk şok proteinlerini de düzenleyebilir.[22] Örneğin, iki 7 ifadesikDa proteinler bir RNA termometresi ile düzenlenir. termofilik bakteri Thermus thermophilus[28] ve benzer bir mekanizma tespit edilmiştir Enterobakteriyeller.[23]

37 ° C sıcaklıklara duyarlı RNA termometreleri aşağıdakiler tarafından kullanılabilir: patojenler enfeksiyona özgü genleri etkinleştirmek için.[14] Örneğin, yukarı düzenleme nın-nin prfA, anahtar transkripsiyon düzenleyicisini kodlayan şiddet içindeki genler Listeria monocytogenes, kaynaştırılarak gösterildi 5 ′ DNA prfA için yeşil floresan protein gen; gen füzyonu daha sonra T7 promoterinden transkribe edildi E. colive floresan 37 ° C'de gözlendi ancak 30 ° C'de gözlenmedi.[29]

RNA dünyası hipotezi için çıkarımlar

Ana makale: RNA dünyası hipotezi

RNA dünyası hipotezi, RNA'nın bir zamanlar hem kalıtsal bilgilerin taşıyıcısı hem de enzimatik olarak aktif biyokatalizör, düzenleyici ve sensör görevi gören farklı dizilerle.[30] Hipotez daha sonra modern DNA, RNA ve proteine ​​dayalı yaşam gelişti ve seçim RNA'nın rollerinin çoğunu diğerleriyle değiştirdi biyomoleküller.[2]

RNA termometreleri ve riboswitchlerin evrimsel olarak eski uzak ilişkili organizmalardaki geniş ölçekli dağılımları nedeniyle.[31] RNA dünyasında, RNA termosensörlerinin diğer RNA moleküllerinin sıcaklığa bağlı düzenlenmesinden sorumlu olacağı öne sürüldü.[2][32] Modern organizmalardaki RNA termometreleri moleküler fosiller bu, bir RNA dünyasında daha önce daha yaygın bir öneme işaret edebilir.[2]

Diğer örnekler

Referanslar

  1. ^ a b c d e f Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S (Ocak 2006). "RNA termometreleri". FEMS Microbiol. Rev. 30 (1): 3–16. doi:10.1111 / j.1574-6976.2005.004.x. PMID  16438677.
  2. ^ a b c d Atkins JF, Gesteland RF, Cech T (2006). RNA dünyası: Modern RNA'nın doğası, prebiyotik bir RNA dünyası önermektedir. Plainview, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN  978-0-87969-739-6.
  3. ^ a b Waldminghaus T, Heidrich N, Brantl S, Narberhaus F (Temmuz 2007). "FourU: yeni bir RNA termometresi türü Salmonella". Mol. Mikrobiyol. 65 (2): 413–424. doi:10.1111 / j.1365-2958.2007.05794.x. PMID  17630972.
  4. ^ a b Ahmed R Duncan RF (2004). "Hsp90 mRNA'nın çeviri düzenlemesi. AUG-proksimal 5′-çevrilmemiş bölge öğeleri tercihli ısı şoku çevirisi için gerekli". J Biol Kimya. 279 (48): 49919–49930. doi:10.1074 / jbc.M404681200. PMID  15347681.
  5. ^ a b Nocker A, Hausherr T, Balsiger S, Krstulovic NP, Hennecke H, Narberhaus F (2001). "MRNA tabanlı bir termosensör, rizobiyal ısı şoku genlerinin ekspresyonunu kontrol eder". Nükleik Asitler Res. 29 (23): 4800–4807. doi:10.1093 / nar / 29.23.4800. PMC  96696. PMID  11726689.
  6. ^ Matsunaga J, Schlax PJ, Haake DA (2013-11-15). "Leptospira interrogans'ta Çok Yapışkanlı Lig Proteinlerinin Sıcaklığa Bağlı Ekspresyonunda cis-Etkili RNA Dizilerinin Rolü". Bakteriyoloji Dergisi. 195 (22): 5092–5101. doi:10.1128 / jb.00663-13. ISSN  0021-9193. PMC  3811586. PMID  24013626.
  7. ^ Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F (2011). "Basit bir RNA tabanlı termosensör ile talep üzerine çeviri". Nükleik Asitler Res. 39 (7): 2855–2868. doi:10.1093 / nar / gkq1252. PMC  3074152. PMID  21131278.
  8. ^ a b Altuvia S, Kornitzer D, Teff D, Oppenheim AB (1989-11-20). "Bakteriyofaj lambda'nın cIII geninin alternatif mRNA yapıları, bunun translasyonun başlama oranını belirler". Moleküler Biyoloji Dergisi. 210 (2): 265–280. doi:10.1016 / 0022-2836 (89) 90329-X. PMID  2532257.
  9. ^ a b Altuvia S, Oppenheim AB (Temmuz 1986). "Bakteriyofaj lambda cIII geninin kodlama bölgesi içindeki translasyonel düzenleyici sinyaller". Bakteriyoloji Dergisi. 167 (1): 415–419. doi:10.1128 / jb.167.1.415-419.1986. PMC  212897. PMID  2941413.
  10. ^ Altuvia S, Kornitzer D, Kobi S, Oppenheim AB (1991-04-20). "Bakteriyofaj lambda'nın cIII geninin mRNA'sının işlevsel ve yapısal elemanları". Moleküler Biyoloji Dergisi. 218 (4): 723–733. doi:10.1016/0022-2836(91)90261-4. PMID  1827163.
  11. ^ a b Storz G (1999-03-15). "Bir RNA termometresi". Genler ve Gelişim. 13 (6): 633–636. doi:10.1101 / gad.13.6.633. PMID  10090718.
  12. ^ Morita MT, Tanaka Y, Kodama TS, Kyogoku Y, Yanagi H, Yura T (1999-03-15). "Isı şoku transkripsiyon faktörü sigma32'nin translasyonel indüksiyonu: yerleşik bir RNA termosensörü için kanıt". Genler ve Gelişim. 13 (6): 655–665. doi:10.1101 / gad.13.6.655. PMC  316556. PMID  10090722.
  13. ^ a b Waldminghaus T, Gaubig LC, Narberhaus F (Kasım 2007). "Genom çapında biyoinformatik tahmin ve potansiyel RNA termometrelerinin deneysel değerlendirmesi". Moleküler Genetik ve Genomik: MGG. 278 (5): 555–564. doi:10.1007 / s00438-007-0272-7. PMID  17647020.
  14. ^ a b c d Narberhaus F (2010). "Sıcaklık algılayan mRNA'lar ile bakteriyel ısı şoku ve virülans genlerinin dönüşümsel kontrolü". RNA Biol. 7 (1): 84–89. doi:10.4161 / rna.7.1.10501. PMID  20009504. Alındı 2011-04-23.
  15. ^ Johansson J (2009). Bakteriyel patojenlerde RNA termosensörleri. Katkıda Mikrobiyol. Mikrobiyolojiye Katkılar. 16. Basel. s. 150–160. doi:10.1159/000219378. ISBN  978-3-8055-9132-4. PMID  19494584.
  16. ^ a b Shamovsky I, Ivannikov M, Kandel ES, Gershon D, Nudler E (Mart 2006). "Memeli hücrelerinde ısı şokuna RNA aracılı yanıt". Doğa. 440 (7083): 556–560. Bibcode:2006Natur.440..556S. doi:10.1038 / nature04518. PMID  16554823.
  17. ^ a b Chowdhury S, Maris C, Allain FH, Narberhaus F (2006-06-07). "Bir RNA termometresi ile sıcaklık algılamanın moleküler temeli". EMBO Dergisi. 25 (11): 2487–2497. doi:10.1038 / sj.emboj.7601128. PMC  1478195. PMID  16710302.
  18. ^ Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F (Nisan 2011). "Basit bir RNA tabanlı termosensör ile talep üzerine çeviri". Nükleik Asit Araştırması. 39 (7): 2855–2868. doi:10.1093 / nar / gkq1252. PMC  3074152. PMID  21131278.
  19. ^ Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F (Nisan 2011). "Basit bir RNA tabanlı termosensör ile talep üzerine çeviri". Nükleik Asitler Res. 39 (7): 2855–2868. doi:10.1093 / nar / gkq1252. PMC  3074152. PMID  21131278. Alındı 2011-04-23.
  20. ^ Waldminghaus T, Fippinger A, Alfsmann J, Narberhaus F (Aralık 2005). "RNA termometreleri alfa ve gama proteobakterilerde yaygındır". Biol. Kimya. 386 (12): 1279–1286. doi:10.1515 / BC.2005.145. PMID  16336122.
  21. ^ Narberhaus F (Ocak – Şubat 2010). "Sıcaklık algılayan mRNA'lar ile bakteriyel ısı şoku ve virülans genlerinin dönüşümsel kontrolü". RNA Biyolojisi. 7 (1): 84–89. doi:10.4161 / rna.7.1.10501. PMID  20009504.
  22. ^ a b Breaker RR (Ocak 2010). "RNA soğukta kapanır". Mol. Hücre. 37 (1): 1–2. doi:10.1016 / j.molcel.2009.12.032. PMC  5315359. PMID  20129048.
  23. ^ a b Giuliodori AM, Di Pietro F, Marzi S, Masquida B, Wagner R, Romby P, Gualerzi CO, Pon CL (Ocak 2010). "CspA mRNA, soğuk şok proteini CspA'nın çevirisini modüle eden bir termosensördür". Mol. Hücre. 37 (1): 21–33. doi:10.1016 / j.molcel.2009.11.033. PMID  20129052.
  24. ^ Neupert J, Karcher D, Bock R (Kasım 2008). "Escherichia coli'de sıcaklık kontrollü gen ifadesi için basit sentetik RNA termometrelerinin tasarımı". Nükleik Asit Araştırması. 36 (19): e124. doi:10.1093 / nar / gkn545. PMC  2577334. PMID  18753148.
  25. ^ a b Nikolova EN, Al-Hashimi HM (Eylül 2010). "RNA erimesinin termodinamiği, her seferinde bir baz çifti". RNA. 16 (9): 1687–1691. doi:10.1261 / rna.2235010. PMC  2924531. PMID  20660079.
  26. ^ Rinnenthal J, Klinkert B, Narberhaus F, Schwalbe H (2011-07-04). "Kararlılığın modülasyonu Salmonella dört U tipi RNA termometre ". Nükleik Asit Araştırması. 39 (18): 8258–8270. doi:10.1093 / nar / gkr314. PMC  3185406. PMID  21727085.
  27. ^ Şah P, Gilchrist MA (2010). Spirin AS (ed.). "RNA termometrelerinin ısı algılama özelliği benzersiz midir?". PLOS ONE. 5 (7): e11308. doi:10.1371 / journal.pone.0011308. PMC  2896394. PMID  20625392.
  28. ^ Mega R, Manzoku M, Shinkai A, Nakagawa N, Kuramitsu S, Masui R (Ağustos 2010). "Sıcaklık düşürme ile soğuk şok proteininin çok hızlı indüksiyonu Thermus thermophilus". Biochem. Biophys. Res. Commun. 399 (3): 336–340. doi:10.1016 / j.bbrc.2010.07.065. PMID  20655297.
  29. ^ Johansson J, Mandin P, Renzoni A, Chiaruttini C, Springer M, Cossart P (Eylül 2002). "Bir RNA termosensörü, virülans genlerinin ifadesini kontrol eder. Listeria monocytogenes". Hücre. 110 (5): 551–561. doi:10.1016 / S0092-8674 (02) 00905-4. PMID  12230973.
  30. ^ Gilbert W (Şubat 1986). "RNA Dünyası". Doğa. 319 (6055): 618. Bibcode:1986Natur.319..618G. doi:10.1038 / 319618a0.
  31. ^ Serganov A, Patel DJ (Ekim 2007). "Ribozimler, riboswitchler ve ötesi: proteinler olmadan gen ifadesinin düzenlenmesi". Doğa İncelemeleri Genetik. 8 (10): 776–790. doi:10.1038 / nrg2172. PMC  4689321. PMID  17846637.
  32. ^ Bocobza SE, Aharoni A (Ekim 2008). "Bitki riboswitchlerinde ışığı açmak". Bitki Bilimindeki Eğilimler. 13 (10): 526–533. doi:10.1016 / j.tplants.2008.07.004. PMID  18778966.
  33. ^ Gaubig LC, Waldminghaus T, Narberhaus F (Ocak 2011). "Birden fazla kontrol katmanı, Escherichia coli ibpAB ısı şok operonunun ifadesini yönetir". Mikrobiyoloji. 157 (Pt 1): 66–76. doi:10.1099 / mikrofon.0.043802-0. PMID  20864473.
  34. ^ Balsiger S, Ragaz C, Baron C, Narberhaus F (2004). "Agrobacterium tumefaciens'teki küçük ısı şoku genlerinin Replikona özgü düzenlenmesi". J Bakteriol. 186 (20): 6824–6829. doi:10.1128 / JB.186.20.6824-6829.2004. PMC  522190. PMID  15466035.