Messenger RNA
-
Структура и функции мРНК
- мРНК — одноцепочечная молекула РНК, соответствующая генетической последовательности гена.
- мРНК считывается рибосомой для синтеза белка.
- мРНК создается в процессе транскрипции, где фермент РНК-полимераза преобразует ген в пре-мРНК.
-
Процесс транскрипции
- Пре-мРНК содержит интроны, которые удаляются в процессе сплайсинга.
- Экзоны, кодирующие белок, остаются и образуют зрелую мРНК.
- Зрелая мРНК считывается рибосомой, которая создает белок с помощью тРНК.
-
Центральная догма молекулярной биологии
- Генетическая информация в мРНК содержится в последовательности нуклеотидов, кодирующих аминокислоты.
- Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту, кроме стоп-кодонов.
- Для трансляции необходимы тРНК и рРНК.
-
История открытия мРНК
- Концепция мРНК была разработана Сиднеем Бреннером и Фрэнсисом Криком в 1960 году.
- В 1961 году мРНК была идентифицирована и описана независимо двумя командами.
-
Синтез и обработка мРНК
- мРНК существует недолго и подвергается деградации.
- Эукариотические мРНК требуют обширной обработки и транспорта, в отличие от прокариотических.
- мРНК и окружающие белки образуют мРНП.
-
Транскрипция
- Транскрипция — это копирование гена из ДНК в мРНК.
- В прокариотах транскрипция происходит с участием ДНК-обрабатывающих ферментов.
- В эукариотах транскрипция происходит без обработки ДНК.
-
Замена урацила на тимин
- мРНК использует урацил вместо тимина в ДНК.
- Урацил является комплементарным основанием для аденина.
- Замена урацила на тимин позволяет мРНК переносить генетическую информацию.
-
Обработка эукариотической пре-мРНК
- Эукариотическая пре-мРНК требует нескольких этапов обработки перед транспортом и переводом.
- Сплайсинг удаляет интроны и соединяет экзоны.
- 5′ cap добавляется для защиты от РНКаз и распознавания рибосомой.
-
Редактирование и полиаденилирование
- В некоторых случаях мРНК редактируется, изменяя нуклеотидную последовательность.
- Полиаденилирование защищает мРНК от деградации и способствует транскрипции.
-
Транспорт мРНК
- Эукариотические мРНК должны быть экспортированы из ядра в цитоплазму.
- Транспорт регулируется различными сигнальными путями.
- В нейронах мРНК транспортируются в разные субклеточные структуры.
-
Перевод мРНК
- Прокариотическая мРНК не требует обработки и может быть переведена сразу после транскрипции.
- Эукариотическая мРНК требует обработки и транспорта, перевод происходит в цитоплазме или эндоплазматическом ретикулуме.
-
Кодирующие регионы
- Состоят из кодонов, декодируемых и транслируемых в белки рибосомой
- Начинаются с стартового кодона и заканчиваются стоп-кодоном
- Стабилизируются внутренними парами оснований
- Могут служить регуляторными последовательностями в пре-мРНК
-
Некодирующие регионы
- 5′ и 3′ некодирующие регионы (UTR) не транслируются
- Транскрибируются вместе с кодирующими регионами
- Участвуют в стабильности, локализации и эффективности трансляции мРНК
- Генетические варианты в 3′ UTR связаны с заболеваниями
-
Поли(А)-хвост
- Длинная последовательность адениновых нуклеотидов на 3′ конце пре-мРНК
- Способствует экспорту из ядра и защите мРНК от деградации
-
Моноцистронные и полицистронные мРНК
- Моноцистронные мРНК кодируют один белок
- Полицистронные мРНК кодируют несколько белков, связанных регуляторными последовательностями
-
Циркуляция мРНК
- В эукариотах мРНК образуют циркулярные структуры
- Циркуляция способствует эффективному циклу рибосом и защищает мРНК от деградации
- Другие механизмы циркуляции существуют в вирусных мРНК
-
Деградация мРНК
- Разные мРНК имеют разную стабильность
- В бактериальных клетках мРНК живут от секунд до часа
- В клетках млекопитающих мРНК живут от нескольких минут до дней
- Прокариоты деградируют мРНК с помощью рибонуклеаз
- В эукариотах баланс между трансляцией и распадом мРНК регулируется P-телами
-
AU-богатые элементы
- Присутствие AU-богатых элементов в мРНК млекопитающих способствует их деградации
- Потеря поли(А)-хвоста ускоряет деградацию мРНК
-
Нонсенс-опосредованный распад
- Еукариотические мРНК подвергаются надзору за преждевременными стоп-кодонами
- Обнаружение стоп-кодона запускает деградацию мРНК
-
Малые интерферирующие РНК (siRNA)
- В метазоанах siRNAs обрабатываются Dicer и включаются в комплекс RISC
- Комплекс RISC расщепляет мРНК, к которым привязана siRNA
- siRNA используется для блокировки генов в клеточной культуре
-
МикроРНК (miRNA)
- МикроРНК частично комплементарны последовательностям в мРНК метазоа
- Связывание miRNA с мРНК репрессорирует трансляцию и ускоряет деградацию мРНК
-
Способы деградации сообщений
- Непрерывное разложение
- Подавление Piwi-interacting RNA (piRNA)
-
Применение мРНК
- Доставка мРНК в клетки для создания белка
- Лечение заболеваний и создание вакцин
- Стимуляция дифференцировки стволовых клеток
-
Проблемы доставки мРНК
- Естественная деградация мРНК
- Иммунная реакция организма
- Непроницаемость для клеточной мембраны
-
История мРНК
- Исследования 1950-х годов показали роль мРНК в синтезе белка
- Эксперименты 1960-х годов подтвердили существование мРНК
- Джеймс Уотсон и его группа независимо пришли к тем же выводам
-
Современные исследования
- Разработка мРНК-вакцин для персонализированной терапии рака
- Исследования мРНК-терапии для лечения аутоиммунных, метаболических и респираторных заболеваний
- Использование мРНК в генной терапии, например, CRISPR
-
Нобелевская премия 2023 года
- Присуждение Нобелевской премии Каталине Карико и Дрю Вайсману за разработку мРНК-вакцин против COVID-19
-
Дополнительные ресурсы
- RNAi Atlas: база данных библиотек RNAi и их целевых анализов
- miRSearch: инструмент для поиска микроРНК, нацеленных на мРНК
- Видео о кодировании мРНК на YouTube
- Статья о мРНК на theconversation.com