Ryboprzełącznik - Riboswitch

W biologii molekularnej , A ryboprzełącznik jest segmentem regulacyjnym RNA cząsteczki, która wiąże się małe cząsteczki , w wyniku zmiany produkcji z białek kodowanych przez mRNA. Tak więc mRNA zawierający ryboprzełącznik jest bezpośrednio zaangażowany w regulację własnej aktywności w odpowiedzi na stężenie jego cząsteczki efektorowej . Odkrycie, że współczesne organizmy wykorzystują RNA do wiązania małych cząsteczek i rozróżniania blisko spokrewnionych analogów, rozszerzyło znane naturalne zdolności RNA poza jego zdolność do kodowania białek , katalizowania reakcji lub wiązania innych makrocząsteczek RNA lub białek .

Pierwotna definicja terminu „ryboprzełącznik” określała, że ​​bezpośrednio oznaczają one stężenia metabolitów małocząsteczkowych . Chociaż ta definicja pozostaje w powszechnym użyciu, niektórzy biolodzy używali szerszej definicji, która obejmuje inne cis-regulacyjne RNA . Jednak ten artykuł omówi tylko ryboprzełączniki wiążące metabolity.

Większość znanych ryboprzełączników występuje u bakterii , ale funkcjonalne ryboprzełączniki jednego typu ( ryboprzełączniki TPP ) odkryto w archeonach, roślinach i niektórych grzybach . Ryboprzełączniki TPP są również przewidywane u archeonów , ale nie zostały przetestowane eksperymentalnie.

Historia i odkrycie

Przed odkryciem ryboprzełączników mechanizm regulacji niektórych genów zaangażowanych w wiele szlaków metabolicznych pozostawał tajemniczy. Coraz więcej dowodów sugerowało bezprecedensową wówczas ideę, że zaangażowane mRNA mogą bezpośrednio wiązać metabolity, aby wpływać na ich własną regulację. Dane te obejmowały konserwatywne drugorzędowe struktury RNA często znajdowane w nieulegających translacji regionach ( UTR ) odpowiednich genów oraz sukces procedur tworzenia sztucznych RNA wiążących małe cząsteczki , zwanych aptamerami . W 2002 roku opublikowano pierwsze kompleksowe dowody na istnienie wielu klas ryboprzełączników, w tym testy wiązania bezbiałkowego, a ryboprzełączniki wiążące metabolity zostały ustanowione jako nowy mechanizm regulacji genów.

Wiele najwcześniej odkrytych ryboprzełączników odpowiadało zachowanym „motywom” sekwencji (wzorom) w 5' UTR, które wydawały się odpowiadać ustrukturyzowanemu RNA. Na przykład analiza porównawcza regionów upstream kilku genów, które mają być koregulowane, doprowadziła do opisu S-box (obecnie ryboprzełącznik SAM-I), THI-box (region w obrębie ryboprzełącznika TPP), RFN Element (obecnie ryboprzełącznik FMN) i B ₁₂ -box (część ryboprzełącznik kobalaminy), a w niektórych przypadkach pokazy eksperymentalne były zaangażowane w regulację genów poprzez nieznany mechanizm. Bioinformatyka odegrała rolę w nowszych odkryciach, zwiększając automatyzację podstawowej strategii genomiki porównawczej. Barrick i in. (2004) wykorzystali BLAST do znalezienia UTR homologicznych do wszystkich UTR w Bacillus subtilis . Niektóre z tych homologicznych zestawów zbadano pod kątem konserwatywnej struktury, uzyskując 10 motywów podobnych do RNA. Trzy z nich zostały później eksperymentalnie potwierdzone jako ryboprzełączniki glmS, glicyna i PreQ1-I (patrz poniżej). Późniejsze wysiłki w zakresie genomiki porównawczej, wykorzystujące dodatkowe taksony bakterii i ulepszone algorytmy komputerowe, pozwoliły zidentyfikować dalsze ryboprzełączniki, które zostały potwierdzone eksperymentalnie, a także konserwatywne struktury RNA, które, jak się przypuszcza, działają jako ryboprzełączniki.

Mechanizmy

Riboswitche są często koncepcyjnie podzielone na dwie części: aptamer i platformę ekspresyjną. Aptamer bezpośrednio wiąże małą cząsteczkę, a platforma ekspresyjna ulega zmianom strukturalnym w odpowiedzi na zmiany w aptamerze. Platforma ekspresyjna reguluje ekspresję genów.

Platformy ekspresyjne zazwyczaj wyłączają ekspresję genów w odpowiedzi na małą cząsteczkę, ale niektóre ją włączają. Eksperymentalnie zademonstrowano następujące mechanizmy ryboprzełączników.

• Kontrolowane przez ryboprzełącznik tworzenie szpilek do włosów z terminacją transkrypcji niezależnych od rho prowadzi do przedwczesnej terminacji transkrypcji.
• Składanie za pośrednictwem ryboprzełącznika sekwestruje miejsce wiązania rybosomu , hamując w ten sposób translację .
• Ryboprzełącznik jest rybozymem, który sam się rozszczepia w obecności wystarczającego stężenia jego metabolitu.
• Alternatywne struktury ryboprzełącznika wpływają na splicing pre-mRNA.
  • Ryboprzełącznik TPP w Neurospora crassa (grzyb) kontroluje alternatywny splicing w celu warunkowego wytworzenia Upstream Open Reading Frame (uORF), wpływając w ten sposób na ekspresję dalszych genów
  • Ryboprzełącznik TPP w zakładach modyfikuje splicing i alternatywne przetwarzanie końca 3'
• Ryboprzełącznik w Clostridium acetobutylicum reguluje sąsiedni gen, który nie jest częścią tego samego transkryptu mRNA. W tej regulacji ryboprzełącznik zakłóca transkrypcję genu. Mechanizm jest niepewny, ale może być spowodowany zderzeniami między dwiema jednostkami polimerazy RNA, ponieważ jednocześnie transkrybują to samo DNA.
• Ryboprzełącznik w Listeria monocytogenes reguluje ekspresję jego niższego genu. Jednak transkrypty ryboprzełącznika następnie modulują ekspresję genu zlokalizowanego w innym miejscu genomu. Ta regulacja trans zachodzi poprzez parowanie zasad z mRNA dystalnego genu. Wraz ze wzrostem temperatury bakterii ryboprzełącznik topi się, umożliwiając transkrypcję. Nieopublikowane badania licencjackie stworzyły podobny ryboprzełącznik lub „termosensor” poprzez losową mutagenezę sekwencji Listeria monocytogenes.

Rodzaje

Poniżej znajduje się lista eksperymentalnie zweryfikowanych ryboprzełączników, uporządkowanych według ligandów.

• Ryboprzełącznik kobalaminy (również pierwiastek B ₁₂ ), który wiąże albo adenozylokobalaminę (forma koenzymu witaminy B ₁₂ ) albo akwakobalaminę w celu regulacjibiosyntezy kobalaminy i transportu kobalaminy i podobnych metabolitów oraz innych genów.
• cykliczne ryboprzełączniki AMP-GMP wiążą cząsteczkę sygnalizacyjną cyklicznego AMP-GMP . Te ryboprzełączniki są strukturalnie spokrewnione z cyklicznymi ryboprzełącznikami di-GMP-I (patrz także „cykliczny di-GMP” poniżej).
• cykliczne ryboprzełączniki di-AMP (zwane również ydaO/yuaA ) wiążą cząsteczkę sygnalizacyjną cykliczny di-AMP .
• Cykliczne ryboprzełączniki di-GMP wiążą cząsteczkę sygnalizacyjną cykliczny di-GMP w celu regulacji różnych genów kontrolowanych przez ten drugi przekaźnik. Znane są dwie klasy cyklicznych ryboprzełączników di-GMP: cykliczne ryboprzełączniki di-GMP-I i cykliczne ryboprzełączniki di-GMP-II . Te klasy nie wydają się być strukturalnie powiązane.
• Ryboprzełączniki fluorkowe wykrywają jony fluorkowe i działają w celu przetrwania wysokich poziomów fluoru .
• Ryboprzełącznik FMN (również element RFN ) wiąże mononukleotyd flawiny (FMN) w celu regulacji biosyntezy i transportu ryboflawiny .
• glmS riboswitch , który jest rybozymem, który sam się rozszczepia, gdy występuje wystarczające stężenie glukozaminy-6-fosforanu .
• Ryboprzełączniki glutaminy wiążą glutaminę, aby regulować geny zaangażowane w metabolizm glutaminy i azotu , a także krótkie peptydy o nieznanej funkcji. Znane są dwie klasy ryboprzełączników glutaminy: motyw RNA glnA i motyw peptydu downstream . Uważa się, że te klasy są strukturalnie powiązane (patrz dyskusje w tych artykułach).
• Ryboprzełącznik glicyny wiąże glicynę w celu regulacji genów metabolizmu glicyny, w tym wykorzystania glicyny jako źródła energii. Przed 2012 r. uważano, że ten ryboprzełącznik jest jedynym, który wykazuje wiązanie kooperacyjne , ponieważ zawiera przylegające do siebie podwójne aptamery. Chociaż nie wykazano już współpracy, przyczyna podwójnych aptamerów nadal pozostaje niejasna.
• Ryboprzełącznik lizyny (również L-box ) wiąże lizynę w celu regulacji biosyntezy, katabolizmu i transportulizyny.
• ryboprzełączniki manganowe wiążą jony manganu .
• Ryboprzełączniki NiCo wiążą jony metali niklu i kobaltu .
• Ryboprzełączniki PreQ1 wiążą pre-queuozynę ₁ , aby regulować geny zaangażowane w syntezę lub transport tego prekursora do queuozyny . Znane są trzy całkowicie różne klasy ryboprzełączników PreQ1: ryboprzełączniki PreQ1-I , ryboprzełączniki PreQ1-II i ryboprzełączniki PreQ1-III . Domena wiążąca ryboprzełączników PreQ1-I jest niezwykle mała wśród naturalnie występujących ryboprzełączników. Ryboprzełączniki PreQ1-II, które występują tylko u niektórych gatunków z rodzajów Streptococcus i Lactococcus , mają zupełnie inną budowę i są większe, podobnie jak ryboprzełączniki PreQ1-III.
• Ryboprzełączniki purynowe wiążą purynę w celu regulacji metabolizmu i transportu puryn. Różne formy ryboprzełącznika purynowego wiążą guaninę (formę pierwotnie znaną jako G-box ) lub adeninę . Swoistość guaniny lub adeniny zależy całkowicie od oddziaływań Watsona-Cricka z pojedynczą pirymidyną w ryboprzełączniku w pozycji Y74. W ryboprzełączniku guaninowym ta reszta jest zawsze cytozyną (tj. C74), w reszcie adeninowej jest to zawsze uracyl (tj. U74). Homologiczne typy ryboprzełączników purynowych wiążą deoksyguanozynę , ale różnią się znacznie bardziej niż mutacja pojedynczego nukleotydu.
• Ryboprzełączniki SAH wiążą S-adenozylohomocysteinę w celu regulacji genów zaangażowanych w recykling tego metabolitu, który jest wytwarzany podczas stosowania S-adenozylometioniny w reakcjach metylacji.
• Ryboprzełączniki SAM wiążą S-adenozylometioninę (SAM) w celu regulacji biosyntezy i transportu metioniny i SAM. Znane są trzy różne ryboprzełączniki SAM: SAM-I (pierwotnie nazywany S-box ), SAM-II i ryboprzełącznik S _MK box . SAM-I jest szeroko rozpowszechniony w bakteriach, ale SAM-II występuje tylko w alfa-, beta- i kilku gamma- proteobakteriach . Riboswitch S _MK box znajduje się tylko w kolejności Lactobacillales . Te trzy odmiany ryboprzełączników nie mają oczywistych podobieństw pod względem sekwencji lub struktury. Czwarta odmiana, ryboprzełączniki SAM-IV , wydaje się mieć podobny rdzeń wiążący ligand do ryboprzełączników SAM-I, ale w kontekście odrębnego rusztowania.
• Ryboprzełączniki SAM-SAH wiążą zarówno SAM, jak i SAH z podobnym powinowactwem. Ponieważ zawsze znajdują się w pozycji regulującej geny kodujące adenozylotransferazę metioninową , zaproponowano, że tylko ich wiązanie z SAM ma znaczenie fizjologiczne.
• Ryboprzełączniki tetrahydrofolianowe wiążą tetrahydrofolian, aby regulować geny syntezy i transportu.
• Ryboprzełączniki TPP (również THI-box) wiążą pirofosforan tiaminy (TPP) w celu regulacjibiosyntezy i transportu tiaminy , a także transportu podobnych metabolitów. Jest to jedyny ryboprzełącznik znaleziony do tej pory u eukariontów.
• ZMP / ZTP riboswitches sens ZMP oraz ZTP , które są de novo metabolizm puryn produktów ubocznych, gdy poziom 10-formylotetrahydrofolianowę są niskie.

Zakładane ryboprzełączniki:

• Przypuszcza się, że motyw moco RNA wiąże kofaktor molibdenowy , reguluje geny zaangażowane w biosyntezę i transport tego koenzymu, a także enzymy wykorzystujące go lub jego pochodne jako kofaktor.

Ryboprzełączniki wiążące metabolity zostały zidentyfikowane za pomocą bioinformatyki i mają umiarkowanie złożone struktury drugorzędowe oraz kilka wysoce konserwatywnych pozycji nukleotydowych , ponieważ te cechy są typowe dla ryboprzełączników, które muszą specyficznie wiązać małą cząsteczkę. Kandydaci na ryboprzełącznik są również konsekwentnie zlokalizowane w 5' UTR genów kodujących białka, a geny te sugerują wiązanie metabolitów, ponieważ są to również cechy większości znanych ryboprzełączników. Hipotetyczna kandydatów ryboprzełącznik wysoce zgodne z poprzednich kryteria te są następujące: crcB RNA Motif , mana RNA motyw , pfl RNA motyw , lider ydaO / yuaA , motyw yjdF RNA , lider ykkC-yxkD (i związane z motywem ykkC III RNA) i yybP -ykoY lider . Funkcje tych hipotetycznych ryboprzełączników pozostają nieznane.

Modele obliczeniowe

Ryboprzełączniki zostały również zbadane przy użyciu metod in-silico. W szczególności rozwiązania do przewidywania ryboprzełączników można podzielić na dwie szerokie kategorie:

• Wyszukiwarki genów ryboprzełączników , czyli systemy mające na celu wykrywanie ryboprzełączników poprzez inspekcje genomowe, głównie oparte na mechanizmach wyszukiwania motywów. Ta grupa zawiera Infernal, założycielski komponent bazy danych Rfam , oraz bardziej specyficzne narzędzia, takie jak RibEx czy RiboSW.
• predyktory przełączników konformacyjnych , czyli metody oparte na klasyfikacji strukturalnej struktur alternatywnych, takich jak paRNAss, RNAshapes i RNAbor. Co więcej, zaproponowano również specyficzne dla rodziny podejścia do przewidywania struktury ON/OFF.

Narzędzie SwiSpot w jakiś sposób obejmuje obie grupy, ponieważ wykorzystuje przewidywania konformacyjne do oceny obecności ryboprzełączników.

Hipoteza świata RNA

Ryboprzełączniki pokazują, że naturalnie występujące RNA może specyficznie wiązać małe cząsteczki, co wielu wcześniej uważało za domenę białek lub sztucznie skonstruowanych RNA zwanych aptamerami . Istnienie ryboprzełączników we wszystkich dziedzinach życia stanowi zatem pewne wsparcie dla hipotezy świata RNA , która głosi, że życie pierwotnie istniało przy użyciu tylko RNA, a białka pojawiły się później; hipoteza ta wymaga, aby wszystkie krytyczne funkcje pełnione przez białka (w tym wiązanie małych cząsteczek) mogły być wykonywane przez RNA. Sugerowano, że niektóre ryboprzełączniki mogą reprezentować starożytne systemy regulacyjne, a nawet pozostałości rybozymów ze świata RNA, których domeny wiążące są zachowane.

Jako cele antybiotykowe

Ryboprzełączniki mogą być celem dla nowych antybiotyków . Rzeczywiście, wykazano, że niektóre antybiotyki, których mechanizm działania był nieznany od dziesięcioleci, działają poprzez celowanie w ryboprzełączniki. Na przykład, gdy antybiotyk pirytiamina dostanie się do komórki, jest metabolizowany do pirofosforanu pirytiaminy. Wykazano, że pirofosforan pirytaminy wiąże i aktywuje ryboprzełącznik TPP, powodując, że komórka przestaje syntezować i importować TPP. Ponieważ pirofosforan pirytiaminy nie zastępuje TPP jako koenzymu, komórka umiera.

Zaprojektowane ryboprzełączniki

Ponieważ ryboprzełączniki są skuteczną metodą kontrolowania ekspresji genów w organizmach naturalnych, istnieje zainteresowanie inżynierią sztucznych ryboprzełączników do zastosowań przemysłowych i medycznych, takich jak terapia genowa .

Bibliografia

Dalsza lektura

• Ferré-D'Amaré, Adrian R.; Winkler, Wade C. (2011). „Rozdział 5. Role jonów metali w regulacji przez Riboswitches”. W Astrid Sigel, Helmut Sigel i Roland KO Sigel (red.). Strukturalne i katalityczne role jonów metali w RNA . Jony metali w naukach przyrodniczych. 9 . Cambridge, Wielka Brytania: Wydawnictwo RSC. s. 141–173. doi : 10.1039/9781849732512-00141 . Numer ISBN 978-1-84973-094-5. PMC  3454353 . PMID  22010271 .