Сложные РНК-переключатели — новый механизм регуляции генов

РНК-переключатели — недавно открытые активные участки молекул РНК, регулирующие работу генов. До сих пор считалось, что регуляция при помощи РНК-переключателей проста: переключатель реагирует на определенное вещество и подавляет (реже — активизирует) работу гена. Американские исследователи обнаружили более сложное регуляторное устройство, представляющее собой комплекс из двух РНК-переключателей, реагирующих на разные вещества. Открытие показывает, что возможности древнейшего безбелкового механизма генной регуляции далеко не так ограничены, как считалось ранее.

Первые РНК-переключатели ( riboswitches) были обнаружены в 2002 году Рональдом Брейкером и его коллегами из Йельского университета. С тех пор число публикаций, посвященных этому странному и очень древнему механизму генной регуляции, стремительно растет.

Трехмерная структура РНК-переключателя, реагирующего на тиаминпирофосфат

Трехмерная структура РНК-переключателя, реагирующего на тиаминпирофосфат

Работа гена начинается с транскрипции — создания молекулы информационной РНК на матрице ДНК. Транскрибируется не только та часть ДНК, которая кодирует белок, но и кое-что «лишнее», в том числе участок перед началом кодирующей области. Здесь-то и располагаются РНК-переключатели. Они представляют собой последовательности нуклеотидов, которые сразу после транскрипции сворачиваются в замысловатые трехмерные структуры. Сворачивание осуществляется на основе принципа комплементарности. Например, последовательность –АААГГГАГАГЦЦЦУУУ– может образовать петельку с «ножкой», причем ножка будет состоять из двух склеившихся нитей РНК (три левых А слипнутся с тремя правыми У, три Г — с тремя Ц).

Самое важное, что область, где находятся РНК-переключатели, транскрибируется первой. РНК-переключатели приходят в рабочее состояние — то есть принимают нужную конфигурацию — сразу, как только их транскрибировали, и задолго до того, как закончится транскрипция всего гена. Это позволяет им прервать транскрипцию и тем самым фактически выключить ген.

РНК-переключатель состоит из двух функциональных частей. Первая часть представляет собой весьма избирательный и чувствительный рецептор, который способен связываться с какой-то строго определенной молекулой (например, с аминокислотой глицином или с S-аденозилметионином). Вторая часть устройства — это собственно переключатель. Когда рецептор связывается со «своей» молекулой, переключатель меняет свою пространственную конфигурацию, что и приводит к изменению активности гена. Например, переключатель может образовать «шпильку» — торчащий двухнитевой участок, который блокирует дальнейшую транскрипцию и на котором недоделанная информационная РНК просто-напросто обрывается.

Ключевой молекулой, которая приводит в действие РНК-переключатель, часто является вещество, производимое белком, ген которого этим переключателем регулируется. Например, если продуктом гена является белок, синтезирующий вещество А, то РНК-переключатель этого гена с большой вероятностью будет реагировать именно на вещество А. Таким образом формируется отрицательная обратная связь: когда какого-то продукта становится слишком много, производство белка, синтезирующего этот продукт, приостанавливается.

РНК-переключатели широко распространены во всех трех надцарствах живой природы: у  бактерий, архей и эукариот. Наиболее разнообразны они у бактерий. Поскольку открыты они были всего четыре года назад, неудивительно, что почти каждый месяц мы узнаем о них что-то новое. Сначала думали, что все РНК-переключатели снижают активность генов — но вскоре среди них были открыты и активаторы. Думали, что регуляторные контуры с участием РНК-переключателей всегда просты: один ген—один переключатель—одно сигнальное вещество. И вот в последнем номере журнала Science появляется статья американских исследователей во главе с Брейкером, в которой описан новый тип регуляторного РНК-устройства, состоящего из двух разных РНК-переключателей.

Брейкер и его коллеги проводят широкомасштабный поиск комплексных РНК-переключателей в прочтенных геномах бактерий. Они нашли уже несколько типов таких устройств. Одно из них — то, которое им удалось наиболее подробно реконструировать и испытать в экспериментах, — они и описывают в статье.

Двойной РНК-регулятор обнаружен перед началом кодирующей области гена metE бактерии Bacillus clausii. Этот ген кодирует фермент, синтезирующий аминокислоту метионин из гомоцистеина. Метионин затем используется для синтеза S-аденозилметионина (SAM). Помимо гена metE, у бактерии есть еще один ген, кодирующий другой фермент с той же функцией — metH. Фермент metH работает эффективнее, чем metE, но только в том случае, если имеется в достаточном количестве вспомогательное вещество (кофермент) метилкобаламин, который производится из аденозилкобаламина (AdoCbl).

Оказалось, что ген metH, а также ген фермента, превращающего метионин в SAM, регулируются РНК-переключателем, реагирующим на SAM. Смысл понятен: когда в клетке становится много SAM, РНК-переключатели приостанавливают работу генов, участвующих в производстве этого вещества.

Ген metE, как выяснилось, регулируется комплексом из двух РНК-переключателей. Один из них реагирует на SAM, другой — на AdoCbl. Смысл второго переключателя состоит в следующем: если в клетке много AdoCbl, то выгоднее, чтобы производством метионина занимался белок metH, а работу гена metE лучше пока приостановить.

Ученые установили, что комплекс из двух переключателей работает как логический элемент NOR (ИЛИ—НЕ). Иными словами, ген выключается, если оба или хотя бы один из двух переключателей свяжется со своей молекулой.

Открытие показало, что возможности безбелковой РНК-регуляции активности генов далеко не так ограничены, как думали раньше. На основе простых РНК-переключателей могут создаваться более сложные регуляторные устройства, способные учитывать сразу несколько параметров окружающей среды.

Уже первооткрывателям РНК-переключателей сразу стало ясно, что они столкнулись с чем-то чрезвычайно древним. Человек, обладающий некоторой биологической эрудицией и хорошим воображением, может представить себе эту картину в красках: как «считываемый» ген вдруг начинает шевелиться, воспринимать сигналы из окружающей среды, реагировать на них и вмешиваться в работу считывающего устройства: не читай меня больше! Удивительно, как далеки от истины были исходные представления об РНК как о безынициативном посреднике между ДНК и машиной синтеза белка. Многие специалисты полагают, что РНК-переключатели появились еще на заре жизни, в добелковую эпоху, когда существовал «мир РНК». Это подтверждается, в частности, тем, что в работе РНК-переключателей белки не принимают никакого участия. Да и те вещества, на которые они реагируют (S-аденозилметионин, аденозилкобаламин и другие), похоже, пришли к нам прямиком из мира РНК, ведь это не что иное, как модифицированные рибонуклеотиды.

Источник: Narasimhan Sudarsan, Ming C. Hammond, Kirsten F. Block, Rudiger Welz, Jeffrey E. Barrick, Adam Roth, Ronald R. Breaker. Tandem Riboswitch Architectures Exhibit Complex Gene Control Functions // Science. 2006. V. 314. P. 300-304.

См. также:
РНК-переключатели: новый механизм генной регуляции у бактерий (Riboswitch: A new mechanism of gene regulation in bacteria. 2004. Pdf, 25 Кб)

Александр Марков

Ещё в разделе

Родился мутант - супермальчик невиданной силы

В Германии родился мутант - супермальчик невиданной силы, возможно, будущий "Супермен". В четверг New England Journal of Medicine опубликовал медицинское исследование, подтвердившее после анализа ДНК мальчика, что это первая подобная мутация.

Прочтен самый маленький геном

Бактерия Carsonella, внутриклеточный симбионт насекомых листоблошек, оказалась обладательницей самого маленького генома среди всех живых организмов, не считая вирусов.

Генетики наблюдают слияние существ

Группа исследователей из университета штата Аризона (США) представила научной общественности самый короткий геном из всех, когда-либо существовавших в живой природе (доисторические пузыри с неотесанными молекулами ДНК не в счет, к тому же это все только т

Исследователи определили основной регулятор стволовых клеток кожи

Включая всего один ген, исследователи могли удержать кожные стволовые клетки от созревания и развития в три вида взрослых кожных клеток: эпидермальные, сальные и волосяные клетки.

Решена одна из величайших загадок биологии

Решена одна из величайших загадок биологии

Международная группа ученых впервые обнаружила механизм, который контролирует репликацию (удвоение) молекулы ДНК.

Ген кролика помог комнатному растению эффективней очищать воздух

Ген кролика помог комнатному растению эффективней очищать воздух

Ученые из Вашингтонского университета установили, что ген кролика, вставленный в геном комнатного растения, значительно увеличивает его способность поглощать из воздуха вредные для здоровья примести: бензол и хлороформ.

Способны ли клеточные органеллы нагреваться?

Способны ли клеточные органеллы нагреваться?

Группа ученых, в которую вошли представители из нескольких стран смогли осуществить сложный эксперимент. Речь идет об измерении температуры митохондрий в живой клетке. Результаты исследования показали, что температура органелл в процессе работы составляет 50 градусов.

Растения, словно люди, способны устанавливать приоритеты

Растения, словно люди, способны устанавливать приоритеты

Результаты нового исследования показали, что растения, в случае нападения вредителей в первую очередь защищают цветки, а не листья, как было принято считать до настоящего момента. Кроме того, также стало известно, что при одновременном нападении гусениц, тли и патогенных бактерий, главным врагом по определению растения становится гусеница и, именно против нее, прежде всего, активируются защитные механизмы.

Первый полусинтетический организм – миф или реальность

Первый полусинтетический организм – миф или реальность

Научным сотрудникам из института Scripps удалось осуществить уникальный эксперимент. Суть исследования состояла в создании новых нуклеиновых оснований с дальнейшим их вживлением в ДНК. В результате проведения эксперимента генетики создали первую в мире полусинтетическую бактерию.

Теперь и аллигаторы смогут летать

Теперь и аллигаторы смогут летать

Благодаря длительным исследованиям ученые смогли определить гены, которые отвечают за формирование чешуи у рептилий и перьев у птиц. Полученная информация дала возможность вырастить эмбрионы аллигатора с измененными внешними покровами. Конечно, достигнуть положительного результата удалось только при посредстве генетических манипуляций.

В теле нематод выявили уникальный ген

В теле нематод выявили уникальный ген

Специалисты из Калифорнийского университета выяснили, что в нематодах Caenorhabditis elegans присутствует ген, несущий ответственность за кодирование вредного для червя токсина. Ген не считается полезным для червя и не исчезает в процессе естественного отбора, так как отвечает еще и за синтез противоядия, которое необходимо для выживания потомства в теле матери.

Найдены новые микроорганизмы с новым механизмом адаптации

Найдены новые микроорганизмы с новым механизмом адаптации

Американские ученые смогли обнаружить ряд ранее неизвестных организмов, которые постоянно мутируют. Склонность к постоянной мутации зависит от генетического механизма, называемого регенерирующим разнообразием ретроэлемента.

Генетики раскрыли механизм эволюции бактерий

Генетики раскрыли механизм эволюции бактерий

Ученые из Института Броуда и Гарвардского университета смогли найти мутации, которые стимулируют появление бактерий с уникальными свойствами. В частности речь идет об устойчивости к антибиотикам разного типа. Более того, такая устойчивость позволяет микроорганизмам провоцировать неизлечимые патологии.

Американцы создали асоциальных муравьев

Американцы создали асоциальных муравьев

Американские ученые из Рокфеллеровского университета смогли создать уникальных муравьев. В частности речь идет о генетически модифицированных насекомых, которые избегают своих сородичей. Благодаря своему творению, исследователи выяснили, что взаимодействие муравьев между собой, а затем дальнейшее формирование колонии происходит при посредстве обонятельных рецепторов, находящихся в усиках.

Оценка:

Пока комментариев нет