МикроРНК

 Возможно, сейчас я склонен к переоценке микроРНК, но сейчас я их вижу как матрицу жизни! Огромное их количество, растворенное в воде, составляют основу для протекания всех процессов в клетке.  Victor Dosenko

МикроРНК - это особый класс мелких двухцепочечных РНК, регулирующих синтез белка на стадии трансляции и проявляющих неполную комплементарность к мРНК-мишеням. Их уже известно более 2000 видов. Длина - менее 30 пар нуклеотидов. МикроРНК представляют собой особую систему внутриклеточной хеморегуляции.

Зрелые микроРНК – это маленькие двухцепочечные молекулы РНК. Это уже удивительно, то, что они состоят из двух цепей, подобно ДНК, а не из одной, как это принято у молекул РНК! Они очень маленькие - всего лишь около 22 пар нуклеотидов длиной. Но они не появляются такими сразу. В ядерной хромосомной ДНК участок-матрица для синтеза микроРНК находится либо в виде специальных генов, либо в составе интронов каких-либо генов.

Долгое время интроны считались бесполезными вставками, подлежащими просто удалению, можно сказать, «мусорными кучами» в составе ДНК. Согласно этому положению, участки в  информационных РНК-копиях, соответствующие интронам, клетка вынуждена вырезать и выбрасывать при обработке мРНК и подготовке её к трансляции, т.е. к синтезу белка. Однако впоследствии оказалось, что среди этого «мусора» попадаются настоящие «жемчужины».

Ядро

Итак, в ядре на ДНК-матрице либо гена, либо интрона копируется крупная РНК, состоящая из сотен, а то и тысяч нуклеотидов. В этой копии находится особая «шпилька» – участок двухцепочечной РНК с частично неспареными нуклеотидами посредине (см. картинку). В составе этой шпильки и находится будущая микроРНК. Для её производства в ядре есть белки со смешными названиями Pasha («Паша») и Drosha («Дроша»). Вместе они образуют штуку под названием «микропроцессорный комплекс» (комплекс для процессинга микроРНК). Задача этой молекулярной машины – отрезать от шпильки всё лишнее. С ней белки успешно справляются, и специальный транспортный комплекс отправляет небольшую (60-90 нуклеотидов) незрелую микроРНК в цитоплазму, поближе к производству белков.

Цитоплазма

В цитоплазме незрелую микроРНК встречает следующий специалист – белок Dicer («Дайсер»). Он отрезает оставшиеся лишние фрагменты: хвосты у «острого конца» шпильки и петлю на её «головке». Вот и получается зрелая микроРНК, состоящая из двух цепей. Одна из её двух цепей загружается в комплекс ферментов RISC, который и будет искать для неё целевую мРНК, т.е. мишень для воздействия.

Зачем же нужна столь сложная система? Всё дело в том, что микроРНК являются регуляторами синтеза белка. На пути экспрессии гена от ДНК к белку они вмешиваются в процедуру трансляции, влияют на считывание информации с мРНК.

Одна из цепей микроРНК узнаёт при помощи белкового комплекса RISC нужную мРНК и присоединяется к ней. Это мгновенно ведёт к остановке синтеза белка. Но самое интересное, что происходит узнавание не так, как у других нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). Как все знают (да, мы оптимисты :-)), в ДНК обе цепи полностью комплементарны. Это значит, то напротив нуклеотида А (аденина) всегда стоит Т (тимин), а напротив Г (гуанин) – Ц (цитозин). И только так. То же самое происходит при копировании РНК с ДНК, по этому же принципу транспортные РНК присоединяются к мРНК, чтобы вставить нужную аминокислоту в новый белок.

Но микроРНК - особенные среди всех нуклеиновых кислот! Они связываются с мРНК не полностью, а лишь несколькими нуклеотидами. Напротив же остальных может стоять всё, что угодно! Это проявление свойства неполной комплементарности.

Сам факт возможного биохимического взаимодействия с неполной комплементарностью приводил молекулярных биологов в священный ужас. Ведь до этого считалось, что полное соответствие есть основа отлаженной чёткости всех молекулярных механизмов клетки. ДНК копируется очень точно, РНК считывается почти безошибочно, белок полностью соответствует РНК – всё это обеспечивается комплементарными связями по принципу «ключ к замку». Если соответствие нарушается, то организм должен рушиться, как это и происходит при множественных мутациях. А тут целая система (у человека открыто уже около 2 тысяч микроРНК) регуляции всех белков работает совсем по-другому!

Неполная специфичность действия микроРНК на первый взгляд приводит к хаосу. Одна и та же микроРНК влияет на трансляцию не одной мРНК, а на множество. Более того, это влияние неравномерно: с одними мРНК она будет взаимодействовать лучше, с другими хуже. Поэтому синтез одних белков будет подавляться больше, а других меньше. При этом на один и тот же белок будут влиять многие микроРНК, так как 3’-участок содержит места для присоединения десятков микроРНК. Но этот кажущийся беспорядок имеет и свои преимущества. МикроРНК могут тонко регулировать процессы в организме. Неполное связывание позволяет блокировать трансляцию частично – на 10, 20 или 90%. Всегда остаётся какое-то небольшое количество белка, который может использоваться при изменившихся условиях. Эти маленькие РНК могут по-разному управлять белками в разных клетках и тканях, создавая разнообразие концентраций белковых молекул, что очень важно, например, при эмбриональном развитии. Наконец, каждая из микроРНК влияет на трансляцию десятков белков (причём, как мы помним, на каждый по-разному!), буквально выступая дирижёром огромного внутриклеточного оркестра.

Неудивительно, что микроРНК оказались вовлечены практически во все процессы жизнедеятельности организма: от оплодотворения и развития до адаптации к новым условиям и механизмов заболеваний.

В частности, при оплодотворении сперматозоид вносит в яйцеклетку отсутствующую в ней микроРНК-34с, которая заглушает гены  bcl-2 и р27 и таким образом инициирует первое деление после оплодотворения  - дробление зиготы. Так что образно можно сказать, что любой человек в нашем мире появляется благодаря микроРНК-34с!

Понятен и интерес биологов к этой теме – новые исследования по микроРНК публикуются каждую неделю. Однако сам механизм влияния микроРНК на трансляцию в деталях не до конца изучен. Лишь в последнее время появились работы, прямо исследующие взаимодействие мРНК, микроРНК и рибосом.

Источники:

my.science.ua/blog/biology/malenkaja-no-cennaja-mikrornk-kto-zhe-ona.html

mefanet.upol.cz/BP/2006/2/205.pdf

Видео: Формирование и функции микроРНК

Видео: микроРНК

Видео: Интерференция РНК

 Дайсер (dicer) — это белковый фермент рибонуклеаза из семейства RNase III (РНКазы III), который разрезает двуцепочечную РНК и пре-микроРНК (pre-miRNA) на короткие двуцепочечные РНК-фрагменты, называемые малыми интерферирующими РНК (siRNA, small interfering RNA) длиной всего приблизительно 20-25 нуклеотидов, обычно с оверхенгом в 2-3 нуклеотида на 3' конце.
Дайсер содержит два домена RNase III и один домен PAZ. Расстояние между этими участками в молекуле определяется длиной и углом соединяющей петли и определяет длину образующейся siRNA. Дайсер катализирует первую стадию в процессе РНК-интерференции и инициирует образование комлекса RISC (RNA-induced silencing complex). В свою очередь, каталитический компонент этого комплекса, белок Argonaute, является эндонуклеазой, деградирующей мРНК, комплементарные ведущей цепи siRNA.

На рисунке слева изображена молекула белка Dicer из Giardia intestinalis. Дайсер катализирует разрезание двуцепочечной РНК (dsRNA), при этом образуются малые интерферирующие РНК (siRNA).
Домены РНКазы III показаны зеленым цветом, домен PAZ - жёлтым, домен платформы - красным, соединительная спираль — синим цветом. Расстояние между доменами РНКазы III и PAZ определяется длиной соединительной петли и углом ее наклона, что, по-видимому, определяет длину образующихся молекул siRNA

Видео: Дайсер (dicer) за работой