Посещений:
3'UTR Трансляционный Контроль

THE POWER OF THE 3'UTR:TRANSLATIONAL CONTROL AND DEVELOPMENT
Scott Kuersten and Elizabeth B. Goodwin
Nature Reviews Genetics 4, No 8, 626 -637 (2003); doi:10.1038/nrg1125

Many crucial decisions, such as the location and timing of cell division, cell-fate determination, and embryonic axes establishment, are made in the early embryo, a time in development when there is often little or no transcription. For this reason, the control of variation in gene expression in the early embryo often relies on post-transcriptional control of maternal genes. Although the early embryo is rife with translational control, controlling mRNA activity is also important in other developmental processes, such as stem-cell proliferation, sex determination, neurogenesis and erythropoiesis.

RNA INTERFERENCE (RNAi). A process by which double-stranded RNA silences specifically the expression of homologous genes through degradation of their cognate мРНК.
BLASTOMERE An early embryonic cell that is derived from the cleavage of a fertilized egg.
SPINDLE An array of microtubules and associated molecules that forms between the opposite poles of a eukaryotic cell during cell division. It functions to move the duplicated chromosomes apart.
PACHYTENE The third phase of prophase I in meiosis
DISTAL TIP CELL A cell that is located adjacent to the distal end of the germline. It signals to the germline to maintain mitotic proliferation.
HELICASE An enzyme that separates the two nucleic acid strands in a double helix, which results in the formation of regions of single-stranded DNA or RNA.
SPERMATID A post-meiotic, haploid germ cell.
HETEROCHRONIC heterochronic mutations alter the relative timing of developmental events as an organism grows (from the Greek heteros,meaning ‘other’ or ‘different’, and chronos, meaning ‘time’).
RETICULOCYTE The youngest red blood cell normally found in the circulation, freshly released from the bone marrow (or other site of erythropoiesis).
DIOXYGENATION The incorporation of both oxygen atoms of O2 .
NONSENSE-MEDIATED DECAY (NMD). A pathway ensuring that мРНКs that have premature stop codons are eliminated as templates for translation.



Рис.1.  | Embryonic axis determination in Drosophila.


Рис.2.  | Regulation of pal-1 and glp-1 мРНКs in C. elegans embryonic axis formation.


Рис.3.  | The mitosis/meiosis decision in the C. elegans germline.


Рис.4.  | The sperm–oocyte switch in C. elegans hermaphrodite germline.


Рис.5.  |  A simplified view of eukaryotic translation initiation.


Рис.6.  | Mechanisms of translational control in developmental processes.

Links

DATABASES
FlyBase: Apontic | Aubergine | bantam | bicoid | Brain tumor | Bruno | caudal | hid | hunchback | Maleless | MSL-2 | nanos | Orb | oskar | p50 | Pumilio | SXL | Staufen | Vasa
WormBase: GLD-1 | GLD-2 | GLD-3 | glp-1 | let-7 | lin-4 | MEX-3 | MEX-5 | MEX-6 | pal-1 | PAR-1 | POS-1 | SPN-4 | tra-2

FURTHER INFORMATION
Elizabeth B. Goodwin's laboratory
Хотя основная регуляция экспрессии генов происходит во время транскрипции, но регуляция стабильности, локализации и транслируемости мРНК также является критической ступенью, особенно в эмбриогенезе, но и в более поздних процессах развития, таких как пролиферация стволовых клеток, детерминация пола, нейрогенез и эритропоэз. Трансляционный контроль осуществляется в результате взаимодействия данного регулятора с др. факторами и в зависимости от его партнёра или партнёров эти взаимодействия м. предопределять, будет ли фактор функционировать как активатор или репрессор трансляции. Дополнительная сложность связана с тем, что 3'untranslated regions (UTRs) часто содержат несколько регуляторных элементов, которые управляют пространственной и временной экспрессией мРНК. Более того, некоторые трансляционные регуляторы высоко законсервированы и, по-видимому, м. контролировать множество различных мРНК. Хотя и др. области на мРНК м. регулировать ее активность. В обзоре основное внимаение уделяется недавным исседованиям, которые показали, что каскады трансляционных регуляторов являются критическими для формирования паттерна ткани и установления эмбриональных осей. Обсуждаю.тся также молекулярные механизмы, лежащие в основе специфических контролирующих процессов. Хотя и имеется множество примеров 3-UTR контроля, но не возможно все их привести (см. REF. 1).

Regulatory cascades and complex interactions


Оплодотворение запускает в движение сложный каскад событий: клетки д. делиться, некоторые д. мигрировать из одной позиции в др., и они д. приобрести соответ. клеточную судьбу в соответствующем месте и в соотв. время. Точная оркестровка этих событий существенна для выживания организма1. Ниже представлены данные, которые показывают, что, по крайней мере у эмбрионов и в зародышевой линии Drosophila и Caenorhabditis elegans, сети трансляционных регуляторов играют критическую роль в формировании паттерна. У Drosophila трансляционный контроль является критическим для закладки осей тела и для создание корректной среды для развития зародышевых клеток (см REF. 2). Во время оогенеза и раннего эмбриогенеза выявляются асимметрические экспрессия белка и локализация мРНК , которые и детерминируют anterior–posterior (A–P) и dorsal–ventral (D–V) оси взрослого организма. Материнские транскрипты некоторых ось-детерминирующих генов, таких как bicoid и hunchback (anterior), torso (terminal), toll (dorsal–ventral), oskar и nanos (posterior), являются трансляционно заторможенными (dormant) в ооцитах, но быстро активируются после оплодотворения. Их активация осуществляется точным пространственным и временным образом, что указывает на интимную связь между локализацией и трансляционным контролем мРНК.

Drosophila embryonic axis formation.


Формирование A–P паттерна у Drosophila является классическим примером того, как каскад трансляционных регуляторов контролирует развитие. Обычно формирование A–P оси зависит частично от, по крайней мере, от двух параллельных каскадов трансляционного контроля. Развитие задних частей нуждается в репрессии трансляции мРНК hunchback в задней части эмбриона (Рис. 1a,b), а развитие передних частей зависит от ингибирования активности caudal мРНК activity in the anterior (Рис. 1c,d). Т. о. эти регуляторные процессы создают оппозитные градиенты белков Hunchback и Caudal. Для репрессии в задних частях мРНК hunchback необходимы белки Nanos, Pumilio, и Brain tumor (Brat)3.
Pumilio является членом основателем семейства PUF (для Pumilio и fem-3 binding (FBF)4 с связывается специфически с элементами трансляционного контроля в hunchback 3'UTR мРНК, которые известны как Nanos response elements5,6. Семейство PUF является большим, высоко законсервированным семейством РНК-связывающих белков, которые конитролируют активность мРНК за счет регуляции трансляции и/или стабильности мРНК. Pumilio и Brat униформо распределены по всему эмбриону и , следовательно, не м. объяснить ограниченную экспрессию hunchback мРНК 3. Передние ограничения в трансляции hunchback являются следствием пространственного ограничения белка Nanos задней частью эмбриона (Рис. 1a)3 . Pumilio рекрутирует Nanos и Brat на hunchback 3'UTR и этот комплекс репрессирует трансляцию hunchback7,8 . Лишь транскрипты в заднем конце эмбриона имеют полный набор регуляторов и и , следовательно, молчат.
Хотя nanos мРНК сильно сконцентрирована на заднем полюсе, имеются достаточные уровни её по всему эмбриону (Рис. 1a)9 . Нелокализованная мРНК м.б. молчащей, т.к. экспрессия белка Nanos вдоль всего эмбриона является летальной10–12. Эта репрессия зависит от униформо распределенного белка Smaug, который связывается с элементами трансляционного контроля в nanos 3' UTR 13–15. Очевидно, что будучи однажды локализованной nanos мРНК преодолевает репрессию, обеспечиваемую Smaug, что делает возможной продукцию Nanos 11. По крайней мере, один компонент этой активации зависит от локализованного в задней части белка Oskar13. Как результат подобной регуляции nanos мРНК активируется в эмбрионе только в соответствующем месте и в соотв. время.
Но что контролирует локализацию белка Oskar? Oskar накапливается исключительно в задней части ооцита и эмбриона. Подобно nanos, oskar мРНК обильна на заднем полюсе, а нелокализованная oskar мРНК трансляционно репрессируется (Рис. 1)3,16–18. Это заканчивается связыванием Bruno с элементами в oskar 3'UTR, которые известны как Bruno response elements16,19. однако, Bruno не функционирует один, контролируя активность oskar мРНК. По крайней мере два др. фактора, Apontic, который соединяется непосредственно с Bruno20, и белок в 50-kD 21 , который также соединяется с областью oskar мРНК , которая содержит Bruno response элементы и они м.б. частью Bruno-содержащего комплекса, который необходим для регуляции трансляции. Эксперименты с использованием системы трансляции in vitro из тканей Drosophila показывают, что Bruno-обпосредованная репрессия трансляции не использует poly(A) хвост или 5' cap22.
Экспрессия Oskar в задних частях зависит от активации трансляции oskar мРНК с помощью элемента в ее 5' UTR, который является критическим для облегчения репрессии Bruno-response-element21. Более того, белок Oskar сам по себе, p50 (REF. 21), Vasa23, Orb24,25 , Staufen26 и Aubergine27 являются необходимыми для трансляции oskar. Интересно, что Aubergine является сходным с eukaryotic translation initiation factor (eIF) 2C и необходим для RNA INTERFERENCE у мух28,29, это открывает возможность, что microRNA (miRNA) м. участвовать в контроле активности oskar мРНК. Итак, вместе с nanos и oskar регуляция мРНК связана с репрессией трансляции во всех областях эмбриона за исключением задней его части и эта репрессия нуждается во взаимодействии множественных факторов с элементами в 3'UTR. Правильная локализация обоих белков требует не только корректно локализованной репрессии трансляции, но также и трансляции мРНКs. Формирование A–P также нуждается в параллельных каскадах. Bicoid является гомеодоменовым транскрипционным фактором, который не только регулирует транскрипцию генов сегментации, но и также контролирует трансляцию caudal мРНК, которая также принимает участие в формировании оси3 (Рис. 1c,d). В отсутствие Bicoid нормальное распределение белка Caudal (уровень которого низок в переденей и высок в задней части) нарушается, возникают высокие уровни Caudal и в передних чатсях эмбриона 3. Белок Bicoid соединяется с элементами caudal 3'UTR и это связывание необходимо для репрессии трансляции3. Экспрессия Bicoid сама по себе также сложно регулируется. Элементы в bicoid 3'UTR существенны для локализации мРНК на переднем полюсе2. В отличие от oskar и nanos 3'UTR, отсутствуют существенные репрессивные элементы в bicoid 3'UTR. Однако, bicoid содержит элементы, которые функционируют очень сходно с Nanos response элементом, тем, что он связывает Pumilio, a мутации в Pumilio меняют время трансляции bicoid30.

Worm embryonic axis formation.


У ранних эмбрионов червей нормальное развитие нуждается в точной простраственной и временной экспрессии некоторых материнских мРНКs, таких как glp-1, pal-1, apx-1 и др. (см. REF. 31). Также мало известно о регуляции др. C. elegans материнских мРНКs. Трансляционный контроль экспрессиии pal-1 является выдающимся примером того, как информация о полярности м.б. транслирована в пространственную и временную экспрессию мРНК. PAL-1, Caudal-подобный гомеодоменовый белок, необходим для специфкации судьбы определенных задних клеток32,33. Хотя pal-1 мРНК присутствует повсюду у ранних эмбрионов, но белок PAL-1 не обнаруживается вплоть до четырех-клеточной стадии и затем он присутствует только в задних бластомерах33 (Рис. 2a). Подобная временная и пространственная экспрессия PAL-1 зависит от MEX-3, KH-домен-содержащего РНК-связывающего белка. который присутствует в передних BLASTOMERES34. Данные показывают, что правильная регуляция экспрессии PAL-1 зависит от функционирования MEX-3 посредством pal-1 3'UTR33.
Недавно было показано, что по крайней мере три др. белка, MEX-5, MEX-6, и SPN-4 м. регулировать активность MEX-3 и паттерн экспрессии PAL-135. MEX-5 и MEX-6, каждый из которых содержит два CCCH типа мотива цинковых пальчиков, являются идентичными на 70% на уровне аминокислот и обнаруживают перекрывание функций36. Генетический анализ показал, что MEX-5 и MEX-6 соединяют вместе пространственную и временную информацию, которая обеспечивается парой генов для корректного паттерна экспрессии PAL-131,35 (Рис. 2). Белки аномального цитоплазматического partitioning (PAR) функционируют пост-трансляционно, контролируя общую полярность эмбриона (см. REF. 37). PAR- 1, который является протеин киназой, четко локализуется в заднем бластомере на двух-клеточной стадии эмбриона (Рис. 2a) и ингибирует активность MEX-5 и MEX-6 в задних клетках. Поэтому MEX-5 и MEX-6 активны только в передних клетках, в которыйх они стимулируют MEX-3-обусловленную репрессию трансляции pal-135. Т.к. и MEX-5 и MEX-6 имеют нуклеотид-связывающие мотивы36, то вполне возможно, что они ассоциируют с pal-1 3'UTR. SPN-4 — RNA recognition motif (RRM)-содержащий белок, который важен для ротации SPINDLE38 — необходим, как полагают, для усиления этого паттерна путем ингибирования уровня белка MEX-3 в задних клетках35. Возможно также, что SPN-4 снжает активность MEX-3 за счет стимуляции деградации mex-3 мРНК, хотя эта возможность пока не подтверждена.
glp-1 кодирует гомолог у червей трансмембранного рецептора Drosophila Notch. Регуляция трансляции glp-1 мРНК является критической для спецификации идентичности ранних бластомеров. У четырех-клеточных эмбрионов glp-1 мРНК обнаруживается во всех бластомерах, однако, GLP-1 белок присутствует только в двух передних клетках39 (Рис. 2a). Эта локальная экспрессия, которая контролируется элементами в 3'UTR, необходима для обуздания сигнальных событий, которые регулируют судьбу передних клеток40,41. Интересно, что некоторые из одних и тех же факторов, которые контролируют экспрессию pal-1 мРНК, регулируют также экспрессию glp-1 мРНК.
Экспрессия GLP-1 в передних бластомерах нуждается и в репресии трансляции в задних клетках и в активации трансляции в передних клетках. Небольшая законсервированная область 3'UTR, которая известна как spatial control region (SCR), необходима для регуляции трансляции и она содержит два элемента. которые необходимы для контроля glp-1: glp-1 репрессионный элементы, который необходим для репрессии в задних клетках glp-1 мРНК,и glp-1 derepression элемент, который необходим для активации в передних клеткиах glp-1 мРНК39. На важность этих элементов указывает тот факт, что они законсервированы у др. видов нематод42. Недавно идентифицированы два фактора, которые соединяются с SCR, чтобы ингибировать трансляцию glp-1 мРНК: GLD-1 и POS-1 (REFS 43,44). GLD-1, который являяется членом семейства signal transduction and RNA regulation (STAR)белков, которые обнаруживаются у позвоночных и беспозвоночных45,46, не только важны для эмбрионального развития, но и также играют критическую роль в зародышевой линии47. POS-1, Cys-Cys-Cys-His (CCCH) zinc-finger белок, необходим для спецификации судьбы задних клеток48. Оба белка локализуются в задних бластомерах, это согласуется с их ролью в ингибировании экспрессиии GLP-1 в этих клетках. Возможно, что GLD-1 и POS-1 функционируют в комплексе, т.к. удаление активности любого белка достаточно для нарушения контроля.
SPN-4, MEX-5 и MEX-6 не только способствуют приобретению специфических особенностей задними бластомерами путем регуляции экспрессии pal-1 мРНК, но они также способствуют передним бластомерам в спецификации путем регуляции экспресии glp-1 мРНК. SPN-4, который присутствует как в передних, так и задних бластомерах, необходим для трансляции glp-1 мРНК в передних клетках — потеря активности SPN-4 ведет к потере экспрессии GLP-1 в этих клетках44. SPN-4 связывает POS-1, хотя биологичекое значение этого взаимодействия неясно. Генетический и иммуногистохимический анализ показывает, что MEX-5 и MEX-6 м.бю. также необходимы для экспрессии GLP-1 (REF. 36; Рис. 2b). Хотя механизм, с помощью которого MEX-5 и MEX-6 контролируют экспрессию GLP-1, неизвестен, они м. непосредственно способствовать трансляции glp-1 или напротив они м. функционировать, репрессируя GLD-1 и/или POS-1. Тот факт, что MEX-5 и MEX-6 являются репрессорами pal-1 мРНК и возможно активаторами glp-1 мРНК, указывает на то, что их взаимодействие с разными ribonucleoproteins (RNPs) м. предопределять, будут ли они функционировать как позитивные или негативные регуляторы трансляции. Более того, обнаружение, что PAR-1 влияет на активности MEX-5 и MEX-6 указывает на то, что PAR-1 м. частично транслировать общую эмбриональную полярность в качественные особенности передних/задни х блестомеров.

Patterning the germline in C. elegans


C. elegans имеет два пола:самцы и гермафродиты (соматические самки, чья зародышевая линия сначала продуцирует спермии, а затем переключается на продукцию ооцитов). Во время эмбриогенеза клетки предшественники двух зародышевых линий возникают из одиночного бластомера. После вылупления эмбриона эти клетки предшественники пролиферируют и дифференцируются по мере созревания животного. Во время пост-эмбрионального развития продукция зародышевых клеток поддерживается за счет пролиферирующих стволовых клеток в наиболее дистальном конце зародышевой линии (Рис. 3). Клетки в мейотической PACHYTENE впервые обнаруживаются во время третьтей личиночной стадии (L3), a первые зрелые гаметы (спермии) обнаруживаются во время четвертой личиночной стадии (L4). После взрослой линьки гермафродиты полностю переключаются со сперматогенеза на оогенез и продолжают продуцировать ооциты в течение всего взрослого периода. Итак, спецификация во времени клеточных судеб пространственных паттернов взрослой зародышевой линии осуществляется вдоль дисто/проксимальной оси — стволовые клетки являются наиболее дистальными, ранние мейотические клетки находятся в середине, а зрелые гаметы расположены наиболее проксимально (Рис. 3). Идентифицированы некоторые гены, которые существенны для точного формирования паттерна зародышевой линии. Продолжающаяся пролиферация стволовых клеток нуждается в сигналах от DISTAL TIP CELL (Рис. 3; см. REF. 49). Соматические distal tip cell экспрессируют LAG-2 ( член семейства Delta/Serrate), который активирует GLP-1 в зародышевой линии. GLP-1 функционирует вместе с LAG-1, членом семейства CSL (CBF-1, Su(H) and LAG-1), чтобы обеспечить митозы. Потеря активности любого одного из этих факторов ведет к потере стволовых клеток из зародышевой линии. Напротив, повышенная активность GLP-1 ведет к продолжению митозов и формированию опухолей зародышевой линии.
Ограничение митотической области дистальным концом зародышевой линии частино нуждается в репрессии трансляции glp-1 мРНК посредством ее 3'UTR элементов39. Хотя glp-1 мРНК присутствует повсюду в зародышевой линии, однако белок GLP-1 присутствует только в наиболее дистальной части митотической области (Рис. 3A). Так, у эмбрионов GLD-1 соединяется с SCR, чтобы регулировать трансляцию43. Кроме того SCR, элемент в 129-нуклеотидов необходим для полной реперссии glp-1 мРНК в зародышевой линии39. Однако, GLD-1 не связывает элемент в 129 нуклеотидов, указывая тем самым на то, что многочисленные связующие факторы регулируют активность glp-1 мРНК в этой ткани43. GLD-1 является цитоплазматическим белком и обладает множественными функциями в зародышевой линии: он ограничивает пролиферацию стволовых клеток (по крайней мере частично, контролируя glp-1), способствует продукции спермиев у гермафродитов и является существенным для оогенеза45,47. Разнообразные роли GLD-1 в зародышевой лини указывают на то, что также как и многие др. факторы, которые обсуждаются в данном обзоре, GLD-1 контролирует несколько мРНКs, включая и yolk receptor rme-2 (REF. 50), ген группы polycomb mes-3 (REF. 51) и пол-детерминирующий фактор tra-2 (REF. 52). Если GLD-1 ингибирует трансляцию glp-1, то что же контролирует экспрессию GLD-1, так чтобы поддерживалась длина митотической области? Это особеннов важно, т.к. мутации в gld-1, которые вызывают экспансию в дистальном направлении экспрессии GLD-1, обусловливают уменьшение количества митотических стволовых клеток (T. Schedl, personal communication). Последняя работа согласуется с моделью, согласно которой FBF-1 и FBF-2 белки (члены основатели семейства PUF53) связывают gld-1 3'UTR, чтобы репрессировать его трансляцию в дистальной митотической области54 (Рис. 3B).
GLD-2 также регулирует выбор между митозом и мейозом; его активность необходима для мейоза55. GLD-2 является членом β-like сверхсемейства nucleotidyltransferases и относится к подсемейству, которое содержит эукариотическую poly(A) polymerase (PAP)56 (хотя он лишен явного РНК-связывающего мотива). GLD-3, который является KH белком57, взаимодействует с GLD-2 и, как полагают, обеспечивает связывание GLD-2 с мРНК56. GLD-3 взаимодействует с FBFs57 и способствует мейозу (C. Eckmann, personal communication), тем самым открывается возможность, что одним из путей GLD-2/GLD-3 комплекса является способствование мейозу путем облегчения FBF репрессии gld-1 мРНК. Эту возможность необходимо ещё проверить.
Интересно, что некоторые члены семейства PUF, по-видимому, способствуют митозам. Напр., Pumilio контролируетс стволовые клетки зародышевой линии у самок Drosophila58–60, а у Dictyostelium и дрожжей PUF белки способствуют митозам при переходе из альтернативного состояния60,61. Эта консервация функции указывает на то, что PUF белки м. обеспечивать исходный механизм контроля стволовых клеток.
Зародышевая линия гермафродитов C. elegans сначала продуцирует спермии во время личиночной стадии L4, а затем переключается на продукцию ооцитов, после линьки во взрослую особь. Этот точный временной паттерн полового развития зародышевой линии нуждается в пост-транскрипционной регуляции пол-детерминирующих генов, tra-2 и fem-3 (Рис. 4). Интересно, что многие из тех же самых ‘pигроков, которые контролируют пролиферацию стволовых клеток, регулируют и выбор судьбы половыми клетками.
tra-2, который кодирует большой трансмембранный белок, способствует женскому развитию62. Итак, развитие самцов зависит от репрессии активности tra-2. Сперматогенез у гермафродитов зависит частично от трансляционной регуляции tra-2 через посредство двух элементов (известных как TGEs, для tra GLI Elements), которые локализованы в 3'UTR63. Это достигается путем связывания GLD-1 с TGEs (Рис. 4a), что приводит к ингибированию рибосомальной инициации52,63. GLD-1 репрессия трансляции tra-2 м. также использовать два др. фактора: laf-1 (REF. 64) и fog-2 (REFS 64,65).
Функционально TGEs были идентифицированы в 3'UTR Caenorhabditis briggsae tra-2 и в GLI1 мРНКs человека66, это указывает на то, что TGE контроль м.б. широко распространённым механизмом регуляции экспрессии генов. Переключение со сперматогенеза на ооугенез у гермафродитных червей достигается за счёт репрессии активности fem-3 мРНК путём связывания FBF белков с point mutation element (PME)62 (Рис. 4b).
Известно несколько и др. регуляторов РНК, влияющих на половое развитие в зародышевой линии. Напр., шесть mog генов необходиы для переключения со сперматогенеза на оогенез62 . Гены mog-1, mog-4 и mog-5 кодируют Asp-Glu-Ala-His (DEAH) box HELICASES и родственны дрожжевым PRP16, PRP2 и PRP22 белкам, соотв., которые являются интегральными частями splicing machinery (кухни сплайсинга). Не выявляется общих дефектов сплайсинга в мутантном бэкграунде mog, это указывает на то, что они м. функционировать за счет др. способов, чтобы контролировать активность мРНК. Интересно, что NOS-3, др. фактор, который участвует в регуляции переключения спермии/ооциты, является гомологом Nanos у мух и связываетFBFs67, указывая тем самым, что регуляция активности мРНК с помощью Nanos–Pumilio комплекса является эволюционно родоначальной. Это подтверждается недавними находками, что гомолог Nanos у людей, NANOS1, взаимодействует с человеческим Pumilio, PUMILIO-2, в зародышевых клетках68.

Control of mammalian spermatogenesis


Определенные гены, экспрессируются поздно в дифференцировке, когда клетки уже выбрали свои ультимативные судьбы. Однако, в позднем сперматогенезе млекопитающих ядра эффективно молчат: ядра SPERMATID сильно конденсированы и неактивны. Следовательно, клетки д. эксплуатировать трансляционный контроль как способ регуляции экспрессии генов.
Конденсация хромосом сперматид млекопитающих связана со смещением соматических гистонов с помощью testis-specific transition proteins (TP1 и TP2) и их последующего хзамещения протаминами. Гены протаминов, Prm1 и Prm2 кодируют небольшие щелочные белки, которые экспрессируются толтко в гаплоидных сперматидах. Протаминовые мРНКs хранятся как трансляционно неактивные RNP частицы до тех пор, пока они не будут транслировны в удлиннённых сперматидах. Эта трансляционная репрессиия обеспечивается с помощью последовательностей в их 3'UTRs и м. зависеть от ядерной истории мРНК69.
Некоторые белки связываются со специфическими элементами в prm-1 и prm-2 3'UTRs и регулируют активность мРНК. TB-RBP (testis brain RNA-binding protein, известный также как Translin) присутствует в трансляционно неактивных RNP частицах и связывается с двумя элементами в prm-2 3'UTR, которые известны как Y и H мотивы70,71. Недавние исследования показали, что TB-RBP м. ассоциировать с prm-2 мРНК в ядрах мышей и сопровождает мРНК при прохождении через ядерные поры в цитоплазму и посредством межклеточных мостиков соединяет гаплоидные клетки69. TB-RBP связывается с prm-2 мРНК в виде комплекса с transitional endoplasmic reticulum ATPase (Ter-ATPase). Белковый комплекс диссоциирует от мРНК в то время, когда мРНК транслируется, указывая тем самым, что TB-RBP м. участвовать в трансляционной репрессии, транспорте и/или локализации. TB-RBP комплекс соединяется также в элементами в 3'UTR некоторых и др. мРНКs, которые присутствуют в спермиях и головном мозге70,72-75, указывая тем самым, что он м. выполнять многие роли в развитии мыши.
Трансляция Prm-1 мРНК нуждается в активности MSY4 и MSY2, которые являются оба Y-box белками1. Y-box белки соединяются с нуклеиновыми кислотами и специфически и неспецифически (см. REF. 76). Мышиный белок MSY-4 экспрессируется в тестисах и соединяется с РНК, которая содержит Y-box recognition motif (YRS), обнаруживаемый также в prm-1 3'UTR77-80. YRS законсервированы у позвоночных в Prm-1 и Prm-2 3'UTRs. Третий белок - PRBP (который кодируется Tarpb геном), м.б. важным для активации трансляции протаминов. Он ассоциирует с протаминовыми 3'UTRs, a анализ Tarbp-/- мышей показывает, что что его обычной функцией является усиление трансляции протаминовой мРНК81.

microRNAs and translational control


Впервые miRNA, kизвестная как lin-4, была клонирована ~ 10 лет тому назад82 и значение этого открытия прекрасно осознаётся теперь. Когда были найдены гены, кодирующие крошечные некодирующие РНК, то было неясоно, это отклонение или первая весточка83 . Последние работы показали. что lin-4 представляет собой большой класс регуляторных молекул, которые функционируют в широких пределах организмов, контролируя экспрессиию генов. miRNAs являются малыми нетранслируемыми РНК длиной ~20.24 нуклеотидов, которые возникают из длинных предшественников (см. REFS 84,85). Предшественники, in silico, м.б. уложены в stem-loop структуры, которые подвергаются процессингу с помощью Rnase-III-подобного белка Dicer в их зрелую форму. В общем, имеется два класса miRNAs: один класс является, как полагают, формой совершенно комплементарной их мРНК-мишеням, вызывая в результате деградацию мРНК, др. как полагают, является формой не в точности комплементарной элементам в 3'UTR их мишеней, вызывая в результате репрессию трансляции. Из более чем 100 miRNAs, идентифицированных таким образом86-89 , 2 лучше всего изученными являются lin-4 и let-7. Хотя мишени для большинства таких miRNAs неизвестны, процесс пошёл - в недавней работе Cohen и др. идентифицирован про-апоптический ген hid у Drosophila в качестве мишени для bantam miRNA90. Это взаимодействие контролирует пролиферацию клеток у мух. Сходным образом с lin-4 и let-7, hid 3'UTR содержит несколько блоков с неточной (imperfect) комплементарностью к bantam, которая необходима для репрессиии активности hid мРНК. lin-4 miRNA была идентифицирована при скрининге на мутации, затрагивающие время и последовательность постэмбрионального развития91. Мутантные по lin-4 животные повторяли L1 личиночную стадию вместо перхода к последующим стадиям развития91. lin-4 функционирует как потс-транскрипционный негативный регулятор HETEROCHRONIC белок-кодирующих генов, таких как lin-14 и lin-28, оба имеют короткие участки неполной комплементарности к lin-4 в своих 3'UTRs1,91. Делеция эти предполагаетмых последовательностпей-мишеней ведут к повышению активности РНК- мишени.
Небольшая let-7 miRNA также, как полагают, функционирует пост-транскрипционно, негативно регулируя своми мишени мРНКs lin-41 и hbl-1 (REFS 92–96). Мутации let-7 приводят в результате к повторению L4 стадии у животных, которые д.б. стать взрослыми, фенотип которых реципрокный мутациям потери функции в их мишенях. Как и в случае с lin-4 мишени мРНКs содержат элементы в своих 3'UTR, которые обнаруживают imperfect комплементарность к let-7 miRNA, имеющиеся данные показывают, что эти элементы необходимы tдля трансляционной репрессии92. Неожиданно, Pasquinelli et al.97 установили, что let-7 экспрессируется и почти на 100% законсервирована у билатерально симметричных животных, таких как человек, мышь, цыплята, polychaete черви и мухи97. Функция этих let-7 miRNAs неизвестна. но удивительна идентичность последовательностей и тот факт, что они обнаруживают временной паттерн экспрессии, указывая тем самым, что они также м. функционировать пост-транскрипционно, контролируя активность онитогенетических генов.

Mechanisms of translational control


мРНКs ведут рискованное существование. Во время их синтеза в ядре мРНКs приобретают модифицированную структуру шапочки (cap), интроны удаляются с помощью splicesome, а их 3' концы расщепляются и полиаденилируются. Процессинг пре-мРНК в зрелуют мРНК ведет к созданию mRNP, это влияет на судьбу мРНК. Напр., cap binding complex (CBC) соединяется с 5' монометилированной структурой шапочки, exon junction complex маркирует первые (former) сайты сплайсинага. а poly(A)-binding protein (PAB) соединяется с 3' концом. Важно, что экспорт-факторы, такие как NXF1, ассоциируют с mRNP, чтобы обеспечить их прохождение через комплеексы ядерных пор. Все mRNPs схожи, независимо от того, находятся они в ядре или цитоплазме. Факторы, которые соединяются с мРНК м. непосредственно влиять на их будущее, влияя на регуляцию трансляции, субклеточную локализацию или деградацию. Имеется можество примеров онтогенетически регулируемой трансляции или локализации, механистические детали которых плохо изучены.
Трансляция мРНК нуждается в процессах, которые имеют место на её 5' и 3' концах. Грубо говоря, сборка рибосом на мРНК начинается с ассоциации 40S рибосомальной субъединицы, initiator methionyl tRNA, eIF2 и GTP, чтобы сформировать 43S pre-initiation комплекс (Рис. 5). Группа eIF4F инициационных факторов (которая включает eIF4E и eIF4G) помогает рекритировать 43S комплекс на 5' конец мРНК, которая последовательно сканирует мРНК до тех пор, пока не достигнет (обычно) первого кодона AUG. Распознавание AUG запускает eIF5, которая гидролизует GTP, иниационные факторы диссоциируют и 60S большая рибосомальная субъединица присоединяет комплекс, чтобы создать полностью функциональную рибосому, которая компетентна к элонгации (см REF. 98). Присоединение PAB к poly(A) хвосту приводит в результате к его ассоцииции с eIF4G, эффективно связывающему 5' и 3' концы мРНК. Взаимодействие PAB aи eIF4G синергично стимулирует трансляцию, хотя механизм того, как это происходит, неясен. Потенциал регуляции этого сложного процесса разноообразен. Хотя и имеются сходства таких 5'- и 3'-UTR регуляций, но становится ясным даже из тех немногих примеров, что различные регуляторные механизмы воздействуют на разыне стадии трансляции мРНК, включая инициацию и элонгацию, чтобы контролировать экспресиию мРНК.

Dosage compensation in flies.
У самцов Drosophila дозовая компенсация достигается за счёт гипертранскрипции генов с одиночной Х хромосомы. Комплекс male-specific lethal (MSL) белков 1, 2 и 3 и Maleless , а также двух некодирующих roX РНК, покрывает одиночную Х хромосому самцов и ведет к приблизительно двукратному увеличению скорости транскрипции некоторых X-сцепленных генов по сравнению с двумя Х хромосомами самок. У самок две Х хромосомы не гипетртранскрибируются благодаря отсутствию MSL-2 белка. TОтсутствие MSL-2 возникает в результате репрессии трансляции мРНК с помощью female-specific sex-lethal белка (SXL)99,100.
SXL соединяется с участками уридинов, которые локализованы в 5' и 3'UTRs msl-2, и ингибирует сплайсинг 5'UTR интрона и репрессирует трансляцию msl-2 в цитоплазме (Рис. 6a)101–103. Устанровлено с помощью трансляции в экстрактах in vitro из эмбрионов Drosophila, что SXL осуществляет свою репрессию путем предупреждения стабильной ассоциации 40S рибосомальной субъединицы с мРНК103, которая является первой критической ступенью в инициации трансляции (Рис. 6a). Довольно неожиданно, этот новый контролирующий механизм не нуждается в 5'cap или в poly(A) хвосте104. Авт. предполагают, что SXL м. дестабилизировать 43S сканирующий комплекс, вызывая его диссоциацию с транскрипта134. Детали механизма неясны, но очевидно, что SXL репрессирует трансляцию msl-2 на ранней ступени инициации трансляции.

Erythropoiesis.
Dj время дифференцировки эритроцитов синтезируется 15-lipoxygenase (r15-LOX) мРНК на ранней стадии эритропоэза, но она трансляционно репрессирована до тех пор. пока не будет достигнута стадия зрелого RETICULOCYTE в периферической крови. Этот трансляционный контроль гарантирует, что r15-LOX, энзим. который катализирует DIOXYGENATION фосфолипидов в митоэкспрессируется в соотв. время. Репрессия трансляции достигается за счёт взаимодействия heterogeneous nuclear (hn)RNPs K и E1 с differentiation control element (DICE), которые расположены в 3'UTR r15-LOX мРНК 105,106. Трансляционное молчание r15-LOX мРНК происходит на поздней ступени инициации трансляции106. Недавно показано, что DICE-опосредуемая репрессия не предупреждает ассоциации 43S комплекса с мРНК или сканирование до AUG, а вместо этого ингибирует присоединение 60S субъеджиницы (Рис. 6b)107. Итак, репрессия с помощью DICE мишеней происходит на более поздней стадии инициации, чем с помощью SXL. DICE репрессия м.б. преодолена, когда трансляция иницируется на internal ribosome entry site (IRES) у Cricket paralysis virus; на IRES, который не нуждается в факторах инициации для обеспечения трансляции107. Он использует eIFs, который волекается в присоединение 60S субъединицы, в качестве мишеней для hnRNP K–E1 комплекса. Ингибирование трансляции с помощью DICE устраняется, когда hnRNP K фосфорилируется с помощью тирозин киназы Src108, проявляясь тем, что это событие увеличивает экспрессию белка r15-LOX в эритроидных клетках.

мРНК masking.
В развитии животных некоторые матерински наследуемые мРНКs, такие как mos и cyclin B, которые кодируют белки критические для созревания ооцитов и эмбриогенеза, трансляционнол молчат или маскированы (см REF. 1). Будучи маскированными эти мРНКs обычно имеют короткие poly(A) хвосты. однако, воздействие специфических сигналов, таких как прогестерон, вызывает удлиннение poly(A) хвоста и активирует трансляцию Mos cyclin белков. И маскирование и активация этих мРНКs регулируются бифункциональным cytoplasmic polyadenylation element (CPE), который локализуется в 3'UTR (см. REF. 109). Недавно установлено, как этот одиночный элемент м. контролировать две противоположные активности. В незрелых ооцитах CPE cyclin B мРНК связан с помощью zinc-finger- и RRM-содержащего белка, cytoplasmic polyadenylation element binding protein (CPEB), а poly(A) хвост мРНК обычно довольно короток (Рис. 6c)109. Способность CPEB ингибировать трансляцию до созревания возникает в результате его взаимодействия с Maskin, а способность Maskin заключается в ингибировании взаимодействия eIF4E и eIF4G. Рекрутирование 40S рибосомальной субъединицы на 5' конец мРНК с помощью eIF4G частично зависит от ассоциации eIF4E wс eIF4G98. Т.к. Maskin содержит последовательности мотива, которые сэходны с последовательностями в eIF4G, необходимыми для связывания с eIF4E110, Maskin, ка полагают. конкурирует с eIF4G за связывание eIF4E. Ассоциация CPEB с Maskin гаранитует, что только CPE-содержащие мРНКs будт репрессированы.
Активация трансляции CPE-содержащих транскриптов происходит при созревании. Под воздействием прогестерона Aurora/Eg2 kinase фосфорилируетs CPEB и это запускает, по крайней мере, два события, которые ведут к активации трансляции CPE-содержащих мРНКs 111,112. Во-первых, фосфорилированный CPEB рекрутирует cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF) на сигнал полиаденилирования (AAUAAA). Это, в свою очередь, облегчает ассоциацию PAP с мРНК, приводя в результате к удлиннению poly(A) хвоста. Во-вторых, более длинный poly(A) хвост способствует присоединению PAB, это разрушает Maskin–eIF4E взаимодействие и , следовательно, делает возможной инициацию рибосом. Этот сложный, но элегантный набор меджбелковых и РНК-белок взаимодействий является прекрасным примером молекулярного переключения, которое контролирует трансляцию ключевых белков в развитии. Maskin не только трансляционный ингибитор, который м. функционировать за счет конкуренции за связывание eIF4E/eIF4G binding (см. REF. 113). Имеются и др. белки, которые сходны с Maskin, конкурентно противодействуя связыванию eIF4G с eIF4E и все они содержат сходный мотив, который необходим для их активности. Этот способ трансляционного контроля м.б. более распространённым, чем это предполагалось.
CPEB сильно законсервирован и, по-видимому. играет важные роли в нескольких онтогенетических процессах. Напр, гомолог CPEB у червей, FOG-1, необходим для сперматогенеза у герматофродитов1, a мушиный Orb белок необходим для высоких уровней трансляции oska25. У мышей CPEB м. играть многочисленные роли в развитии, т.к. мыши, у которых отсутствует CPEB имеют дефекты в обучаемости и памяти, а самки мышей стерильны из-за нарушений оогенеза114. Тот факт, что CPEB участвует в обучении ведёт к предположению, что регулируемая трансляция специфических мРНКs в дендритах важна для синаптической пластичности115.

Post-initiation control of translation.
Имеются также примеры, в которых контроль осуществляется после инициации трансляции. Два из наиболее охарактеризованеных примеров связаны с репрессией трансляции nanos мРНК с помощью Smaug у Drosophila и с контролем трансляции lin-14с помощью lin-4 miRNA. В обоих случаях, мРНКs присутствуют на полисомах, независимо от того присутствует или нет 3'UTR регулятор116,117. Кажется, что репессия и у мух и у червей происходит каким-то образом после инициации, вообще во время элонгации, терминации трансляции или стабильности синтезируемых полипептидов.

Nuclear history and translational control.
Учитывая экстенсивный ядерный процессинг и модификации, которым подвергаются мРНКs, не является неожиданностью то, что ядерные события м. влиять на цитоплазматическую судьбу мРНК. В общем смысле это обеспечивается таким образом, что ядерный CBC м. инициировать трансляцию. CBC, который является гетеродимером из 80-kD и 20-kD субъединиц, ко-транскрипционно ассоциирует с мРНК 5' cap структурой и вовлекается в сплайсинг и формирование 3'-конца (см REF. 118). CBC м. взаимодействовать с eIF4G и способствовать трансляции119, это открывает возможрность того, что непосредственно после ядерного экспорта CBC инициирует раунд трансляции (‘pioneering’round), который отличен от последующих раундов, которые обеспечиваются с помощью eIF4E. В подтверждение этой идеи имеются доказательства, что первый раунд трансляции м. происходить пока CBC связан с 5' cap, и что эта CBC-связанная мРНК является субстратом для NONSENSE-MEDIATED DECAY120. Первый раунд трансляции м. также представлять собой потенциальную ключевую точку или точки контроля для некоторых мРНКs.
Сплайсин пре-мРНК также м. влиять на трансляцию. На ооцитах Xenopus или в системах млекопитающих показано, что присутствие или даже позиция интрона м. влиять на количество белка, которое синтезируется121–124. как это происходит, неизвестно, но вряд ли обусловлено усилением экспорта и ли стабильности мРНКs, т.к. эти процессы не затрагиваются присутствием интрона в транскрипте121–124. Вообще-то факторы, которые способствуют рекрутированию рибосом на mRNPs, действительно преимущественно ассоциируют с мРНКs во время сплайсинга? Ясно, что различные ядерные процессы м. регулировать трансляцию в цитоплазме и во многих случаях эти контролирующие механизмы важны для специфических онтогенетических процессов. Авт. предполагают, что некоторые транскрипты, которые тонко контролируются в отношении выхода в цитоплазму, находятся в ядре в некой ‘pre-repressed’ форме. Это м.б. важные факторы. которые загружаются на мРНК во время транскрипции и процессинга в ядре, и создают трансляционно репрессированные mRNP еще до того, как они достигнут цитоплазмы. Это м. оказаться эффективной стратегией в регуляции трансляции на очень ранних стадиях взаимодействия рибосомальных субъедирниц, и вообще во время инициального раунда трансляции на CBC-свзанных мРНКs. Последующие раунды трансляции м.б. более трудными в отношении регуляции, когда мРНКs уже ассоциированы с полисомами и начали активно транслироваться.

Summary and outstanding questions

The patterning of tissues, embryonic axes formation, and mammalian spermatogenesis rely heavily on trans-lational regulation through 3-UTR elements. A grow-ing list of factors and мРНКs that they interact with indicates that these processes are complex and wide-spread. Moreover, the exciting findings of miRNAs raise more and more questions regarding the power and influence of 3-UTR controls on cellular processes. Importantly, there seem to be many ways in which 3 UTRs can regulate translation.
Some important questions about 3-UTR regulation and development remain. How are the different processes themselves controlled so that specific мРНКs are translated at the precise time and place in develop-ment? Are post-transcriptional regulatory processes organized into subcellular compartments? Many organisms contain RNP-rich granules (P-granules in worms, polar-granules in flies and germ plasm in frogs) in their germlines, are these granules directly linked to the regulation of мРНК activity? How do miRNAs and other factors control translation? Can miRNAs func-tion in numerous ways to control мРНК activity? How does RNP formation in the nucleus affect translation in the cytoplasm? Hopefully, in the next few years, new results will provide important insights into these and other exciting questions regarding мРНК regulation and development.
Сайт создан в системе uCoz