Translational control of localized mRNAs: restricting protein synthesis in space and time
 Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 971-980 (December 2008) | doi:10.1038/nrm2548. | |
|
As highlighted by recent genome-wide analyses in diverse organisms and cell types, subcellular targeting of mRNAs has emerged as a major mechanism for cells to establish functionally distinct compartments and structures. For protein synthesis to be spatially restricted, translation of localizing mRNAs is silenced during their transport and is activated when they reach their final destination. Such a precise translation pattern is controlled by repressors, which are specifically recruited to transport ribonucleoprotein particles and block translation at different steps. Functional studies have revealed that the inactivation of these repressors, either by pre-localized proteins or in response to conserved signalling pathways, triggers local protein synthesis.
 Рис.1. | Spatial translational activation of ASH1 мРНК in budding yeast.  Рис.2. | Mechanisms that control translation of localized мРНКs.  Рис.3. | Signal-induced translational activation. Box 1 | мРНК transport mechanisms Box 2 | Transport RNPs and P bodies: how similar are they? Box 3 | Tools to visualize local translation in vivo Box 4 | The different steps of translation DATABASESOMIMEntrez-GeneFURTHER INFORMATION |
Способность с точностью ограничивать синтез мРНК имеет важное значение1. Широкое распространение этого феномена стало очевидным с появлением геномного анализа у разных организмов и разных типов клеток (Supplementary information S1 (table)). Было установлено, что огромное число мРНК имеет специфическую субклеточную локализацию2.
Большинство клеток обладает определенной поляризацией и функциональной компартментализацией. Напр., многое известно о составе комплексов, которые устанавливают и поддерживают полярность эпителиальных клеток, нерешенным остается вопрос, как их индивидуальные белковые компоненты, многие из которых цитоплазматические, достигают своей локализации в апикальной или базолатеральной части мембраны. Установлено, что мРНК, которые кодируют два ключевых регулятора полярности, Stardust и Crumbs (компоненты консервативного апикального Crumbs-Stardust-PATJ комплекса), располагаются апикально и тем самым вносят вклад в установление полярности эпителиальных клеток3, 4. Локализованные мРНК регулируют также направленную миграцию клеток. В фибробластах локализация β-актиновой мРНК связана с её трансляцией на ведущем крае, это способствует сборке локального цитоскелета, клеточной поляризации и направленному движению5. Сходным образом во время развития нейронов ростовые конусы аксонов наводятся внешними сигналами, которые вызывают локальный синтез регуляторов цитоскелета6. Semaphorin-3A, напр., провоцирует коллапс ростового конуса, это запускает локальную трансляцию аксонально нацеленной мРНК7.
В дифференцированных нейронах до сотен мРНК превалируют в дендритах (Supplementary information S1 (table)). Локальная и специфическая трансляция субнабора этих мРНК делает возможной быструю ограниченную синапсами реакцию на стимуляцию нейронов8. Расхождение клеточных судеб и детерминант эмбриональной полярности также часто достигается за счет локализации мРНК, связанной с локальной трансляцией9-11. Среди хорошо изученных примеров локализация мРНК на верхушке дочерней клетки почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Fig. 1). Зависимая от локализации активация трансляции ASH1 мРНК, которая кодирует репрессор переключения типа спаривания гарантирует её ограничение дочерней клеткой и в результате образуются две клетки разных типов, что является обязательным условием для спаривания11, 12.
Локализованные мРНК упакованы в (RNP комплексы) , которые вступают в контакт с цитоскелетными моторами для направленного транспорта вдоль цитоскелетных трактов (Box 1) и гарантируют их трансляционное молчание. Точный состав этих комплексов диктуется комбинацией цис-регуляторных элементов, которые присутствуют на мРНК и распознаются специфическими транс-действующими факторами. Среди этих факторов, консервативные РНК-связывающие белки контролируют как доставку мРНК . так и репрессию трансляции, обеспечивая тем самым молекулярную связзь между этими двумя процессами13-16. В финальном субклеточном месте назначения мРНК освобождается от аппарата транспорта, это делает возможной активацию трансляции. В зависимоти от типа клеток мРНК или трансляционно депрессированы после достижения места предназначения или сохраняются в репрессированном состоянии вплоть до воздействия специфических сигналов, приводящих к их активации. Assembling a silenced RNP После экспорта в клеточную цитоплазму мРНК оказываются локализованными и распознаются специфически аппаратом клеточного транспорта и секвестрируются от аппарата трансляции до тех пор, пока не достигнут места предназначения. Это достигается посредством распознавания РНК цис-регуляторных элементов с помощью транс-действующих факторов и благодаря последующей сборке RNP комплексов уникального состава и структуры. Эти комплексы начинают собираться по ходу транскрипции в ядре, но подвергаются динамическому ремоделированию на разных ступенях17.
Composition of transport RNP complexes. Систематический протеомный анализ компонентов РНК гранул показал, что эти комплексы содержат большое количество ассоциированых белков, включая РНК-связывающие белки, которые регулируют транспорт и трансляцию мРНК18-20. Хотя транспорт RNPs может иметь общие компоненты с (P тельцами) - общими цитоплазматическими сайтами для замалчивания трансляции - они соответствуют разным и специфическим структурам (Box 2). Более того, в то время как некоторые консервативные РНК-связывающие белки присутствуют в разных типах транспортных RNPs18, 19, 21, 22 и, следовательно, могут формировать стрежневой модуль, регулирующий сборку и состояние трансляции различных транспортных комплексов, некоторые репрессоры трансляции соединяются с уникальными наборами мРНК мишеней благодаря распознаванию специфических последовательностей. Эти цис-регуляторные последовательности (или мотивы) обычно обнаруживаются в 3' untranslated region (UTR) мРНКs мишеней23, но могут также локализоваться в 5' UTR24 или кодирующих25 регионах.
Как было установлено с помощью биохимической очистки18, 19 и ко-иммуноокрашивания26-28, транспортируемые RNPs содержат также компоненты трансляционного аппарата, включая элементы рибосом. Собираются ли эти компоненты в функциональные рибосомы, пока неясно18, 28-30. Помимо белковых факторов локализующие комплексы, по-видимому, включают малые не кодирующие РНК, которые ингибируют трансляцию ассоциированных с ними мРНК мишеней, такие как не-кодирующая РНК BC1 (Ref. 31) и микроРНК miR-134 (Ref. 32). Необходим дальнейший анализ для определения количества и разнообразия не кодирующих РНК в транспортных RNPs.
Др. открытый вопрос, транспортируются ли и регулируются ли мРНК как одиночные молекулы или они собираются в мультимолекулярные транспортные единицы. Гипотеза совместной сборки получает подтверждение из биохимических и генетических данных, показывающих что Drosophila melanogaster мРНК образует мультимеры in vitro и in vivo30, и может указывать (hitchhike) на др. oskar молекулы in vivo33. Показано, что разные мРНКs экспрессируются и дифференциально метятся in vivo у дрожжей34 или совместно инъецируются в культивируемые олигодендроциты35, это подтверждает, что несколько видов РНК могут локализоваться в одном и том же транспортном аппарате и могут совместно переноситься в общих RNPs. Образование частиц RNP высокого порядка, которые содержат несколько молекул мРНК и ассоциированные факторы (называемые multiplexing), могут поэтому служить механизмом, используемым разными типами клеток для эффективно скоординированной экспрессии генов в специфических цитоплазматических сайтах.
Importance of RNP nuclear history. Недавние исследования показали, что локализация мРНКs начинается со сборки RNPs в ядре и что их цитоплазматическая судьба предопределяется факторами, которые рекрутируются в этот компартмент, также как и событиями ядерного процессинга36. Напр., сплайсинг oskar мРНК по первому интрону необходим для её транспорта на задний полюс ооцитов D. melanogaster33. Интересно, что различные трансляционные регуляторы, которые обнаруживаются в транспортных RNP комплексах, являются челночными белками, содержащими сигналы ядерной локализации, и накапливающимися, по крайней мере, временно в ядре37-43. В соответствии с ассоциацией этих регуляторных белков с их мРНК мишенями в ядре, репрессор трансляции zip-code binding protein-1 (), как было установлено, ассоциирует co-transcriptionally с β-actin мРНК в клеточных линиях млекопитающих и фибробластов кур15, 44, 45. Хотя функциональная потребность в ядерном связывании ещё не протестирована, она может делать возможной трансляционную блокаду в источнике и предупреждать преждевременную инициацию трансляции после экспорта в цитоплазму.
У дрожжей транслокация в ядрышко адапторного белка может быть необходимой для репрессии трансляции ASH1 мРНК37. Напротив мы установили, что строгая цитоплазматическая форма у D. melanogaster ядерно-цитоплазматического челночного белка PTB (известного также как HEPH), репрессора трансляции oskar, обладает способностью ассоциировать с oskar мРНК и блокировать её трансляцию (F.B., S. Lopez de Quinto and A.E., unpublished observations).
Localizing мРНКs are translationally repressed. Считается, что локализуемые мРНКs трансляционно молчащие во время их транспорта. Хотя это трудно убедительно показать, но это предположение подтверждается несколькими линиями доказательств. Во-первых, белки, которые кодируются локализованными мРНКs, накапливаются специфически в месте их финального предназначения, а репортерные конструкции, которые воспроизводят их трансляционный контроль (Box 3), активируются в этих сайтах. Во-вторых, репрессоры трансляции ассоциируют с транспортируемыми мРНК и в некоторых случаях потеря их функции приводит к эктопической продукции белка22, 39, 46, 47. В-третьих, компоненты , которые накладываются на мРНКs после сплайсинга и удаляются после её трансляции48, ассоциируют с транспортными RNPs в разных системах49-51, это указывает на то, что мРНК репрессируются, когда транспортируются. Наконец, локализуемые мРНК, по-видимому, плохо ко-седементируют с фракциями, которые содержат активно транслируемые мРНК ()28, 30, 52, хотя это наблюдение дискуссионно и может зависеть от транспортируемой мРНК29, 53. Blocking translation during transport Трансляционные репрессоры, будучи связанными с локализуемыми их мРНКs, предупреждают синтез белка с помощью доставки различных регуляторов процесса трансляции (Box 4). Важно, что в то время как трансляционная элонгация может целенаправленно подавляться с помощью RNP репрессоров29, 53, инициация трансляции, которая обычно является скорость ограничивающей, наиболее часто оказывается регулируемой ступенью (Fig. 2a).
Targeting the eIF4F complex. Ассоциация каркасного белка eukaryotic translation initiation factor-4G () с cap-связывающим белком является ступенью, которая часто целенаправленно подвергается действию трансляционных репрессоров, которые рекрутируются в транспортные RNPs. В самом деле, специфические eIF4E-binding proteins (eIF4E-BPs) рекрутируются на молчащие мРНК, где они, как полагают, конкурируют с eIF4G за связывание и тем самым блокируют образование eIF4F комплекса, который состоит из eIF4G, eIF4E и RNA helicase 54. D. melanogaster белок, напр., является eIF4E-BP, который рекрутируется на oskar RNP за счет непосредственного взаимодействия с 3' UTR-связанным репрессором . Нарушение Cup-eIF4E взаимодействия ведет к преждевременной трансляции локализуемой oskar мРНК22. У ранних эмбрионов Cup также рекрутируется на мРНК путем ассоциации с 3' UTR-associated репрессором Smaug, и, по-видимому, репрессирует трансляцию не-локализуемых nanos мРНК путем связывания eIF4E, чтобы исключить связь с eIF4G55. Сходным образом трансляционный репрессор mental retardation protein (FMRP) , как полагают, помогает рекрутировать eIF4E-BP CYFIP1 (cytoplasmic FMR-interacting protein-1) на мРНК мишени в нейронах млекопитающих56. Эти модели трансляционной репрессии являются аналогами тех, что предложены для РНК-связывающего белка cytoplasmic polyadenylation element-binding protein (CPEB): 3'-связанный CPEB ассоциирует или с eIF4E-BPs maskin или neuroguidin, блокируя тем самым взаимодействие eIF4E-eIF4G54, 57.
Недавно было предположено, что дрожжевой ASH1 мРНК-связывающий белок Khd1 (также известен как ) репрессирует инициацию трансляции локализуемых мРНКs с помощью нового нижестоящего механизма47. Khd1 физически взаимодействует с C-терминальным доменом eIF4G, это важно для трансляционной репрессии ASH1 in vivo47. Хотя и не проверено, Khd1 может, следовательно, предупреждать рекрутирование пре-иниационного комплекса путем блокирования функции eIF4G. в
Наконец, не кодирующая РНК млекопитающих BC1 соединяется с eIF4A и может репрессировать инициацию трансляции его ассоциированных с нейронами мРНК путем блокирования активности eIF4A helicase58и последующего рекрутирования 40S рибосомальной субъединицы (Box 4).
Blocking 60S ribosomal subunit joining. Трансляционные репрессоры могут также ингибировать инициацию путем блокирования рекрутации 60S субъединицы, как это демонстрируют 3' UTR-связывающие белки ZBP1 и pumilio-homology domain family-6 (), которые предупреждают сборку 80S рибосом на соотв. им β-actin и ASH1 мРНК мишенях15, 59. В случае Puf6, эта блокада может быть результатом конкурентного связывания Puf6 с eIF5B, т.к. два белка физически взаимодействуют in vitro , а их взаимодействующие домены функционально важны для ASH1 репрессии in vivo59.
Modulation of poly(A)-tail length and PABP recruitment. Модуляция длины polyadenine (poly(A))-хвоста мРНКs, как было показано. контролирует эффективность трансляции, так что короткие poly(A) хвосты ассоциируют с репрессированным состоянием, тогда как длинные poly(A) хвосты способствуют трансляции путем рекрутирования poly(A)-binding protein (PABP)60 (Box 4). В согласии с этим трансляционная активация транспортируемых мРНКs ассоциирует с элонгацией их poly(A) хвоста61-63. Механически длина poly(A) хвоста регулируется с помощью противоположного действия poly(A) polymerase и deadenylation комплекса и некоторых репрессоров трансляции, чтобы контролировать этот баланс. Smaug, напр., рекрутирует CCR4-NOT deadenylation комплекс на не локализованную nanos мРНК путем непосредственного взаимодействия с одной из его субъединиц63.
Multilayered regulatory processes. Кстати, большинство предложенных механизмов для мРНК-специфических трансляционных репрессоров, связано с ингибированием cap-зависимого процесс инициации трансляции. Однако, недавнее исследование подтвердило, что инициация трансляции может быть также под контролем cap-независимого механизма, который участвует в мультимеризации молекул РНК и формировании плотно упакованных RNPs, которые недосягаемы для аппарата трансляции30.
Как проиллюстрировано с помощью oskar, nanos и ASH1 мРНК, повторяющейся темой является то, что мРНК регулируются с помощью множественных перекрывающихся механизмов, которые нацелены на разные ступени и гарантируют точный трансляционный контроль25, 64. Это достигается путем связывания репрессорных белков с множественными функциями (напр., Bruno22, 30 или Smaug55, 63), также как и путем связывания множественных трансляционных репрессоров (как это описано для ASH1 (Refs 47,59)). Derepression following localization Для большинства локализуемых мРНК, репрессия трансляции устраняется непосредственно после достижения финального субклеточного места назначения. очевидно, что дерепрессия трансляции осуществляется в ответ на пространственные сигналы, которые обычно вызывают снижение сродства репрессоров трансляции с их мРНК мишенями. Это может достигаться путем пространственно ограниченного фосфорилирования репрессоров или путем конкурентного связывания предварительно локализованных белков (Fig. 2b).
Kinase-mediated release of RNA-binding repressors. Ассоциация РНК-связывающего белка ZBP1 с β-actin мРНК необходима как для её транспорта, так и для её трансляционного молчания. Однако, после локализации мРНК, функция репрессора ZBP1 д. инактивироваться и д. происходить трансляция β-actin. Интересно, что, как было показано, ZBP1 является субстратом для Src киназы in vitro и in vivo, а фосфорилирование с помощью Src снижает эффективность связывания ZBP1 с β-actin15. In vivo, усиление активности Src ассоциирует с усилением трансляции β-actin репортерного гена, а экспрессия неспособной к фосфорилированию формы ZBP1 уменьшает количество локально продуцируемого β-actin белка15. Как установлено с помощью in vivo анализа, взаимодействие Src-ZBP1, по-видимому, пространственно ограничено местами трансляции β-actin.
Интересно, что аналогичный регуляторный механизм был описан у дрожжей для двух ASH1 мРНК трансляционных репрессоров Khd1 и Puf6. Puf6 фосфорилируется in vivo и in vitro с помощью casein kinase-II (, и это фосфорилирование уменьшает сродство связывания РНК и репрессивную активность Puf6 (Ref. 59). Более того, Ck2 накапливается в кортексе дрожжевых почек, где она ко-локализуется с транслируемым пулом ASH1 мРНК. Сходным образом фосфорилирование Khd1 с помощью type I casein kinase снижает сродство связывания Khd1 с ASH1 мРНК, а неспособная к фосфорилированию форма Khd1 репрессирует трансляцию ASH1 репортера более эффективно, чем дикого типа Khd1 (Ref. 47). Наконец, взаимодействие Yck1-Khd1 ограничивается плазматической мембраной in vivo. Итак, подтверждается модель, согласно которой трансляционная репрессия, осуществляемая по отношению к локализуемой ASH1 снижается. как только мРНК достигает верхушки почки; это достигается за счет фосфорилированием индуцируемого высвобождения репрессоров Puf6 и Khd1 из комплексов (Fig. 1). Ограниченная субклеточная локализация Ck2 и Yck1 киназ может предоставлять специфические сигналы, которые необходимы для пространственного контроля депрессии трансляции. Дополнительные сообщения показали, что такая базирующаяся на киназе регуляция РНК-связывающих белков может быть механизмом, который широко используется для контроля трансляции мРНК мишеней24, 65.
Competitive binding with locally produced proteins. Пространственно ограниченное высвобождение трансляционных репрессоров может быть также вызвано взаимодействием репрессоров с локально экспрессируемыми партнерами по связыванию. Белок Oskar, напр., специфически синтезируется на заднем полюсе ооцитов D. melanogaster, где транслируется nanos мРНК. Интересно, что Oskar взаимодействует с трансляционным репрессором для nanos, Smaug, in vitro66. Более того, эктопическая экспрессия Oskar ведет к эктопическому синтезу Nanos, и ингибированию связывания Smaug с nanos мРНК63. Это подтверждает модель, согласно которой расположенный кзади Oskar локально взаимодействует с nanos-связанным Smaug, разрушая тем самым связывание Smaug с его мРНК мишенью и редуцируя трансляционную репрессию nanos пространственно ограниченным способом. Связь взаимодействия Smaug-Oskar с регуляцией nanos в контексте дикого типа пока неизвестна. Signal-induced translational activation В специфических типах клеток мРНК мишени сохраняются в дремлющем состоянии в их финальных местах предназначения, а их трансляция активируется только в ответ на специфические внешние сигналы. Это демонстрируется на нервных клетках, у которых субнаборы локализованных мРНК транслируются в зрелых дендритах вследствие синаптической активации67 или в развивающихся ростовых конусах аксонов в ответ на сигналы наведения6. Сигналами управляемая трансляционная дерепрессия локализованных мРНК была описана и вдр. системах, таких как ооциты Xenopus laevis , у которых трансляция некоторых локализованных на веретене мРНКs специфически активируется вследствие индуцированного прогестероном мейотического созревания14. В нейронах внешние сигналы индуцируют дерепрессию трансляции путем регуляции как общих компонентов аппарата синтеза белка, так и мРНК-специфических репрессоров (see below) (Fig. 3). в
General regulation of the translational machinery. В ростовых конусах аксонов и дендритов внешние стимулы модулируют активность общих компонентов трансляционного аппарата. Напр., и eIF4E и повсеместный eIF4E-BP быстро фосфорилируются в ростовых конусах позвоночных вследствие воздействия сигналов наведения6, 68 , а в дендритах млекопитающих в ответ на протокол, который индуцирует долговременные изменения в синаптической активности67, 69. В различных изученных системах эти события контролируются с помощью двух законсервированных путей receptor-coupled kinase - передача сигналов extracellular signal-regulated kinase (ERK) и mammalian target of rapamycin (mTOR)6, 67 (Fig. 3). Хотя точное влияние фосфорилирования eIF4E дискуссионно, оно ассоциирует с общим увеличением скорости клеточной трансляции70. Более того, фосфорилирование eIF4E-BP снижает его сродство с eIF4E, тем самым делается возможным взаимодействие между eIF4E и eIF4G и эффективное помещение комплекса инициации трансляции на capped мРНК71 (Box 4).
Трансляционная элонгация локализованных в дендритах мРНКs также регулируется с помощью синаптической активности. В самом деле, изменения в статусе фосфорилирования eukaryotic elongation factor-2 (eEF2), который способствует транслокации рибосом вдоль мРНК (Box 4), наблюдается в ответ на различные стимулы. Так, активация NMDA (N-methyl-D-aspartate)-type Glu рецептора () или group I metabotropic Glu рецептора () ассоциирует с гиперфосфорилированием eEF2 и снижением скорости трансляции72-74, тогда как воздействие brain-derived neurotrophic factor (BDNF), по-видимому, редуцирует ингибирующее фосфорилирование eEF275. Более того, фосфорилирование eEF2 является двунаправленным, контролируемым спонтанными и индуцированными возбуждающими передачами в культивируемых нейронах гиппокампа и, как полагают, обеспечивается переключением между этими двумя формами синаптической активности76. в
При физиологических условиях, обусловленная стимулами регуляция компонентов трансляционного аппарата, по-видимому, пространственно ограничена в клетке. BDNF, напр., скорее всего контролирует трансляцию компартмент-специфическим образом, индуцируя фосфорилирование eIF4E в синаптических фракциях и фосфорилирование eEF2 специфически в не-синаптических фракциях77. Более того, локальное воздействие BDNF индуцирует пространственно ограниченную активацию регуляторов инициации трансляции в дендритах культивируемых нейронов78. Наконец, влияние градиента аттрактанта netrin-1 ведет к асимметричному накоплению гиперфосфорилированного eIF4E-BP на проксимальной стороне ростовых конусов культивируемых аксонов79. Цитоскелетные элементы могут помогать ограничивать активацию трансляции специфическими компартментами клетки (Supplementary information S2 (box)).
Global changes in translation rates and specificity. Неожиданно трансляция некоторых локализованных в дендритах мРНКs специфически стимулируется в условиях, при которых трансляция обычно подавляется28, 73, 74. Такая ген-специфическая регуляция уже была описана для разных мРНКs в ответ на изменение условий роста и может быть объяснена с помощью специфических для мРНК структурных свойств и 5' регуляторных последовательностей80. Напр., предполагается, что плохо инициированные транскрипты извлекают пользу из повышенных концентраций свободных факторов инициации трансляции, которые индуцируются общей блокадой трансляционной элонгации73, 74. Альтернативно, мРНК, которые подвергаются cap-независимой внутренней инициации трансляции, могут селективно регулироваться в ответ на общее модулирование cap-зависимого eIF4E. В согласии с этим зависимая от активности форма пластичности в нейроэндокринных клетках Aplysia californica ассоциирует с переключением от cap-зависимой к cap-независимой трансляции и с избирательным увеличением трансляции мРНК-содержащего egg-laying гормона81. Интересно, что некоторые локализованные в дендритах мРНК содержат функциональные последовательности internal ribosomal entry site в своей 5' UTR области, но биологическая роль их internal translation initiation сайтов в ответ синаптические стимулы не была протестирована82.
Хотя изменения в эффективности трансляционного аппарата могут индуцировать ген-специфическую трансляционную регуляцию, дополнительные слои регуляции необходимы для объяснения сложного паттерна трансляционной активации локализованных мРНК в нервных клетках. В самом деле сигналы, которые запускают оппозитные физиологические реакции, регулируют генеральные компоненты аппарата белкового синтеза сходным образом. Напр., хотя молекулы наведения netrin-1 и semaphorin-3A индуцируют фосфорилирование eIF4E и eIF4E-BP в ростовых конусах ретинальных аксонов X. laevis , semaphorin-3A вызывает коллапс ростовых конусов, тогда как netrin-1 индуцирует поворот в направлении хемоаттрактанта и трансляцию β-actin мРНК7, 79, 83. Более того, локальное воздействие BDNF или mGluR agonist dihydroxyphenylglycine в головном мозге индуцирует зависимую от локального синтеза белка или , соотв., но эти оппозитные изменения в синаптической эффективности нуждаются в фосфорилировании eIF4E и eIF4E-BPs.
Signal-specific modulation of local мРНК content. Одним из способов достижения локального синтеза специфических наборов белков в ответ на внешние стимулы является модуляция композиции пула локализуемых мРНК. β-actin мРНК, напр., присутствует на базовых уровнях в ростовых конусах аксонов, но в дальнейшем рекрутируется в эти сайты после воздействия neurotrophins84, 85. Др. нейрональные мРНКs, такие как ARC, calcium/calmodulin-dependent Ser/Thr-protein kinase-2αa (CAMKII α), TRKB или BDNF, поставляются в дендритные компартменты зависимым от активности способом86-88.
Итак, синаптическая активность, по-видимому, регулируется локальными концентрациями специфических мРНКs двунаправленным способом, как это было показано с помощью мРНКs. которые кодируют AMPA (alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid)-type Glu-рецептора () субъединицы 1 и 2. В самом деле, оба транскрипта активно транспортируются в дендриты в ответ на передачу сигналов mGluR, но исчезают из этого компартмента вследствие активации NMDAR89. Более того, определение профилей мРНК в регенрирующих сенсорных аксонах показало, что накопление специфических мРНКs в аксонах может быть увеличено или уменьшено в ответ на разные лиганды90. Удивительно, этот систематический анализ показал, что способствующие росту и ингибирующие рост стимулы дифференциально регулируют уровни индивидуальных аксональных мРНКs. Хотя и не продемонстрировано, но специфические лиганды могут в принципе способствовать скоординированному транспорту разных мРНК путем активации РНК-связывающих белков, которые распознают специфические сайты мРНКs, которые обладают сходными мотивами. В согласии с этой моделью РНК-связывающий белок FMRP, как было показано, способствует зависимому от микротрубочек транспорту локализованных в дендритах мРНК после стимуляции mGluR13.
Signal-specific regulation of translational repressors. В ответ на разнообразные стимулы др. способ избирательно регулировать трансляцию подгрупп локализованных мРНКs заключается в дифференциальной модуляции активности мРНК-специфических трансляционных репрессоров. Трансляционный регулятор CPEB соединяется с CPE-содержащими мРНК, и это фосфорилирование ассоциирует с переключением от трансляционной репрессии к трансляционной активации мРНК мишеней. В самом деле, в то время как не фосфорилированный CPEB блокирует трансляцию путем рекрутирования eIF4E-BPs, таких как maskin или neuroguidin, фосфорилированный CPEB способствует инициации трансляции путем индукции элонгации poly(A)-хвоста, рекрутирпованию PABP и диссоциации eIF4E-BPs от cap-связанного eIF4E57, 91, 92. В синаптических фракциях нейронов гиппокампа млекопитающих, Glu стимуляция индуцирует Aurora kinase-зависимое фосфорилирование CPEB, которое способствует элонгации poly(A)-хвоста и трансляции CPE-содержащей CAMKII α мРНК мишени93. В таких условиях фосфорилирование CPEB зависит от передачи сигналов NMDAR, т.к. оно блокируется хим. соединениями, которые избирательно находят этого типа рецепторы, но не затрагиваются модуляцией AMPAR и mGluR93. Итак, оба уровня и продолжительность фосфорилирования CPEB могут в дальнейшем регулироваться с помощью комплементарной передачи сигналов , в частности, с помощью комбинированного действия CAMKIIα b protein phosphatase-1 (Refs 94,95).
В соответствии со специфическими трансляционными репрессорами, поставляемыми с помощью специфических сигнальных путей, FMRP, по-видимому, в разной степени необходим для разных зависимых от белкового синтеза долговременных синаптических изменений в головном могзе млекопитающих. Как показано на Fmr1-накаутных мышах FMRP функция безразлична для NMDAR-обеспечиваемой долговременной потенциации96, но она существенна для правильной mGluR-обеспечиваемой долговременной депрессии97. Более того, передача сигналов mGluR, как недавно было показано, динамически регулирует фосфорилирование FMRP, контролируя оппозитные ферментативные активности рибосомного белка S6 kinase-I (S6K1) и protein phosphatase-2A98. Принимая во внимание, что фосфорилирование FMRP, как полагают, супрессирует экспрессию мРНК мишени98, 99, mGluR-зависимый белковый синтез может быть запущен, по крайней мере, частично путем дефосфорилирования FMRP. Связано ли это событие дефосфорилирования с высвобождением FMRP-ассоциированного eIF4E-BP CYFIP1, которое наблюдается вследствие синаптической активности предстоит протестировать56.
Смягчение базирующейся на microRNA трансляционной репрессии также может служить механизмом, который используется, чтобы активировать трансляцию избранных мРНК мишеней в ответ на синаптическую активацию, хотя пути специфической активации. которые регулируют этот процесс, еще не описаны. Как показано на нейронах млекопитающих, воздействие BDNF ослабляет miR-134-зависимую трансляционную репрессию гена LIM-domain kinase-1 32 и может также регулировать трансляцию др. локализованных в дендритах мРНК, содержащих сайт связывания miR-134. У D. melanogaster, холинэргическая активность, как полагают, индуцирует обеспечиваемую протеосомами деградацию Armitage, компонента RNA interference комплекса, который участвует в microRNA обусловленном молчании100. Она ингибирует microRNA-обеспечиваемую репрессию и индуцирует трансляцию мРНК мишеней, таких как CAMKII. Необходимы ли на самом деле эти предполагаемые microRNA-связывающие сайты, которые присутствуют в CAMKII 3' UTR, для регуляции трансляции в ответ на синаптическую активность, однако еще предстоит проверить.
Conclusion and perspectives It is now clear that the precise transport and translation pattern of localized мРНКs is dictated by the combination of cis-acting elements present on the RNA molecule. These elements are recognized by trans-acting factors (either RNA-binding proteins or non-coding RNAs), the recruitment of which to the RNA contributes to the formation of an RNP of defined specificity. Bioinformatics analyses performed in yeast, flies and nematodes have revealed that 2–8% of the genomes of these organisms are predicted to encode RNA-binding proteins, each of which might have hundreds to thousands of target мРНКs101. Altogether, this allows for enormous combinatorial potential and thus a main challenge is to now decrypt the combinatorial code of regulatory elements and to start predicting мРНК behaviour based on primary sequence. Progress in this direction has recently been made for CPE-mediated translational control102. Based on their study of cyclin B1–B5 мРНКs, and taking into account three types of cis-acting elements, the authors could propose a highly predictive combinatorial code that determines the translational repression pattern, as well as the timing of мРНК translational activation in X. laevis oocytes102. Comparative analysis of the sequence and structure of мРНКs with similar distributions and translation profiles (Supplementary information S1 (table)), combined with the systematic identification of мРНКs associated with specific sets of trans-acting factors, will help to further refine regulatory motifs and further understand the codes that control RNP-complex composition and behaviour.
Finally, studying how nuclear maturation controls RNP architecture and composition should further help to understand how the nuclear history of a given мРНК affects its cytoplasmic fate. As recently revealed, by regulating alternative splicing and alternative usage of polyadenylation sites, nuclear factors might have a determining role in the ultimate combination of cis-regulatory elements present on an мРНК, and thereby control мРНК localization and translation patterns3, 103, 104. Systematic studies are now needed to determine the prevalence of these types of gene regulation.
|