Недавние сообщения указывают на то, что имеется больше информационного содержания в messenger RNA (mRNA), чем просто зеркальное отражение последовательстей оснований ДНК. Эти эклектические молекулы взаимодействуют непосредственно с метаболитами, контролируют уровни др. транскриптов и даже предупреждают трансляционную кухню (machinery)о необходимости блокировать продукцию потенциально токсичных, чахлых белков. Ненормальный транскрипционный контроль лежит даже в основе рака.

"I am one of the most faithful advocates of sophisticated function by RNA. But even I am astounded by what these RNAs are doing," заявляет Yale University's Ronald R. Breaker.

ALTERNATE mRNA CONFORMATIONS REGULATE METABOLISM

Т.к. РНК является однонитчатой, то м. прдположить вторичную структуру за счет спаривания основании внутри себя самой. Некоторые мРНК м. принимать альтернативные формы -- то что Breaker обозначил 'riboswitches'--которые модулируют синтез определенных витаминов, так что они продуцируются только когда необходимы.

Riboswitches предшествуют кодирующей части большой молекулы мРНК, которые, по-видимому, ощущают, присутствует ли определенный метаболит. Если этот так, то они выключают трансляцию оставшейся мРНК, которая кодирует энзим, необходимый для синтеза этого метаболита: это классическая петля обратной связи. Итак, Breaker нашел riboswitches в генах, которые контролируют некоторые коэнзимы и витамины, такие как синтез B1 (thiamine) и B12 transporter, которые являются первыми кандидатами на роль возможных химических резидентов RNA world's.

Breaker полагает, что riboswitches контролируют синтез витаминов, т.к. соотв. регуляторные белки не обнаружены. Др. указанием на то, что РНК м.б. регулятором исходят из aptamers, которые являются короткими, синтетическими РНК, выделенными по их каталитической активности. "Over the last several years, my lab has been engineering RNA switches that can sense various target compounds.^1,2 We had become convinced that natural RNA switches would be present in modern organisms," заявляет он.

Исследователи создали частичные мРНК, названные thiM и thiC, для гена, который кодирует энзим необходимый для синтеза thiamine. РНК содержат части, которые соединяются с рибосомами, органелами на которых происходит синтез белка. Затем исследователи рассекали мРНК или в присутствии или в отсуствии производного thiamine , TPP. Возникше фрагменты были разных размеров, в зависимости от того присутствует ли TPP, это указывает на то, что мРНК м. приобретать различные конформации, лишь одна из которых связывается с витамином. Комплекс мРНК-TPP дает несколько большие куски, т.к. нуклеиновая кислота блокирована от разрезающих энзимов.

Затем исследователи тестировали способность вовлекаемых мРНК влиять на экспрессию генов, которые контролируют синтез витамина. "We created mutant riboswitches that either could or could not bind TPP," сообщил Breaker. "We then fused each mutant riboswitch and the ß-galactosidase gene". Они установили, что витамин на самом деле выключает свой собственный синтез. Это позволило приписать одну из функций нетранслируемой области, с которой начинается мРНК.

Riboswitches для витамина являются одного типа. "We speculate that, for certain organisms, direct metabolite sensing by mRNAs will be a common form of genetic control," говорит Breaker. И они м.б. молекулярными ископаемыми, пережитками primordial biochemistry. "Modern riboswitches could be direct descendants of RNAs that existed nearly 4 billion years ago in the RNA world. I think that some organisms have thrown riboswitches, and a lot of other ancient RNAs, onto the evolutionary trash heap. However, riboswitches have great utility in some instances. Why make a protein when an RNA will do just fine?" вопрошает он.

Courtesy of Ben Boese

IN A BIND: The sequence and secondary structure model of a riboswitch that binds thiamine pyrophosphate (space filling model). The magenta nucleotides are conserved through evolution; the green nucleotides designate the AUG start codon. The flare identifies the ribosome binding site.

При NONSENSE-MEDIATED РАСПАДЕ мРНК РНК также следит за самой собой. В некоторых эукариотических генах пространственные взаимоотношения между нонсенс мутациями (вставляющими преждевременно кодон окончания трансляции) и экзон/интрон сплайс-сайтом, расположенным дистальнее неких сигналов трансляционной кухни (machinery) позволяют остановить трансляцию. Это действие, названное nonsense-mediated mRNA decay (NMD), предупреждает продукцию укороченных белков, которые бесполезны и даже токсичны.

Группа проф. Henry Dietz, a Howard Hughes Medical Institute investigator at Johns Hopkins University School of Medicine недавно показала, что NMD отличается от др. защитного процесса, nonsense-обусловленого измененного сплайсинга, который м. вырезать заблудший стоп-кодон из мРНК в ядре.³

NMD должен происходить тогда, когда мРНК покинула ядро. "Cells have evolved a way to define a termination codon as premature during a 'pioneer' round of translation, based on where within the precursor mRNA splicing took place," объясняет Lynne Maquat, проф. biochemistry and biophysics, University of Rochester School of Medicine and Dentistry.⁴

Взаимоотношения между неправильно помещенным стоп-кодоном и сплайс-сайтом "intimate," говорит проф. pathology Peter Byers, University of Washington in Seattle. "There must be a spliced intron downstream from the premature termination codon if the message is to be unstable. In the mRNA, the old exon/intron and now the exon/exon boundaries are marked by association of proteins about 20 to 25 nucleotides upstream. These protein complexes are removed in the course of translation. But if translation does not get to one of these sites because it is stopped by a premature termination codon, then the complex attracts a protein that triggers digestion of the mRNA by exonuclease."

CANCER AS TRANSCRIPTION DISREGULATION DNA. Arul Chinnaiyan, assistant professor of pathology and urology, University of Michigan Medical School, и сотр. использовали 10,000-генный микромассив для мониторинга прогрессии рака простаты.

Courtesy of Harry C. Dietz

PROMOTING EFFICIENCY: Data suggest that mRNAs form a closed loop conformation mediated by proteins bound at the 5' and 3' ends of the transcript. This conformation is believed to promote both translational efficiency through recruitment of the 40S ribosomal subunit, and mRNA stability through limitation of access by decapping enzymes and nucleases.

Сначала исследователи обнаружили, что 55 начинают обнаруживать избыточную экспрессию и 480 обнаруживают снижение экспрессии в клетках метастатической ткани по сравнению с исходной опухолью. Количество EZH2 белка увеличивалось с каждой стадией. Наиболее сверхактивным геном оказался enhancer of zeste homolog 2 (EZH2).⁵ Чтобы выявить эффекты EZH2's его избыточно экспрессировали в культивируемых клетках рака простаты, это постоянно подавляло экспрессию 163 генов, но не активировало ни одного гена. EZH2, следовательно, является мощным генетическим выключателем.

Chinnaiyan и др. измеряли экспрессию EZH2 в опухолях, сохраненных от 64 индивидов с известным клиническим исходом: "Localized specimens that exhibited high levels of EZH2 protein had a worse prognosis than those that had low or absent EZH2" . Поэтому Chinnaiyan обозначил EZH2 как "signature lethal biomarker."

Фактически, уровень EZH2 является наиболее реальным прогностическим признаком течения болезни, чем размеры опухоли и уровень prostate specific antigen (PSA). "We envision a test using prostate needle biopsies, in which EZH2 is measured, designating good prognosis or bad prognosis prostate cancer," заключает Chinnaiyan.

RNA Calls the Shots