11.6: Estabilidade de mRNA e expressão gênica

A estrutura e a estabilidade das moléculas de mRNA regulam a expressão genética, uma vez que os mRNAs são um passo fundamental no caminho do gene à proteína. Nos eucariotos, a meia-vida do mRNA varia de alguns minutos a vários dias. A estabilidade do mRNA é essencial no crescimento e desenvolvimento. A ausência das proteínas que regulam a sua estabilidade, como a tristetraprolina em ratos, pode causar problemas sistêmicos, incluindo crescimento excessivo da medula óssea, inflamação e autoimunidade.

Elementos de ação Cis envolvidos na estabilidade do mRNA

Uma sequência de mRNA não apenas codifica proteínas, mas também contém várias regiões de ação cis, que sozinhas ou com a ajuda de proteínas de ação trans, regulam a estabilidade do mRNA. A extremidade 5' de um mRNA tem uma capa de 7-metilguanilato (m⁷G), e a extremidade 3' tem uma cauda poli-A, ambas protegendo o mRNA das exonucleases. Uma cauda poli-A menor que 15-20 nucleotídeos pode levar à decapagem e subsequente degradação do mRNA; portanto, o comprimento da cauda poli-A é importante para a estabilidade do mRNA. As regiões não traduzidas 5' e 3' (UTR) do mRNA contém várias sequências que atuam como sítios de ligação para proteínas envolvidas na degradação e estabilidade do mRNA. O 5' UTR contém regiões de ligação para proteínas que promovem o decapeamento ou remoção da tampa 5' m⁷G. A 3'UTR em alguns mRNAs, especialmente aqueles com meia-vida inferior a 30 minutos, carrega múltiplas repetições “AUUUA”, conhecidas como sequências ricas em AU. Quando as proteínas desestabilizadoras de ARNm se ligam a estas sequências ricas em AU, promovem a rápida mortanilação e degradação do ARNm. Por outro lado, quando estão presentes proteínas estabilizadoras de ARNm, elas competem com as proteínas desestabilizadoras pela ligação às sequências ricas em AU e diminuem a taxa de degradação do ARNm. Alguns outros mRNAs também carregam sequências de reconhecimento específicas para endonucleases.

Principais vias de degradação do m-RNA

Os mecanismos mais comuns de degradação do mRNA envolvem a remoção da cauda poli-A da extremidade 3' e da tampa 5' m⁷G. A deadenilação, remoção de adeninas da cauda poli-A, pode levar à degradação do mRNA por dois mecanismos diferentes. O primeiro mecanismo envolve o encurtamento da cauda poli-A para menos de 15-20 nucleotídeos, o que desestabiliza a associação entre o mRNA e suas proteínas de ligação. Isto expõe a tampa 5' m⁷G às enzimas de decapagem, DCP1 e DCP2. A extremidade 5' descapsulada e desprotegida do mRNA pode então ser degradada com a ajuda da exonuclease 5' a 3', XRN1. Outro mecanismo de degradação envolve a remoção completa da cauda 3' poli-A pelas deadenilases e a subsequente degradação da extremidade 3' desprotegida pelo complexo exossomo citoplasmático na direção 3' para 5'. A degradação do mRNA de 5' para 3' é uma via importante em leveduras, enquanto a degradação de mRNA de 3' para 5' é a principal em células de mamíferos; no entanto, o mRNA também pode ser degradado por ambos os mecanismos ao mesmo tempo. Em alguns mRNAs, a deadenilação não é um pré-requisito para a degradação. Um mecanismo envolve o decapeamento da extremidade 5' seguido pela degradação do mRNA de 5' a 3' usando a exonuclease XRN1. A outra via de degradação menos observada envolve uma clivagem interna do mRNA utilizando endonucleases. As extremidades nascentes desprotegidas do mRNA quebrado podem então ser facilmente degradadas nas direções 5' para 3' e 3' para 5' com a ajuda de XRN1 e do complexo exossomo, respectivamente.

A extensão e o sincronismo da expressão do gene são afetados pela estabilidade do mRNA. Os mRNAs estáveis podem ter meias-vidas de várias horas e codificar proteínas que precisam ser continuamente produzidas. A síntese de proteínas pode continuar muito tempo após a transcrição parar se um mRNA não é degradado.

Em contraste, MRNAs instáveis geralmente têm meia-vida curta de menos de 30 minutos e são degradados rapidamente. A menos que a transcrição destes genes seja contínua, o mRNA só pode ser traduzido por um curto período de tempo. Isso ajuda o organismo a parar rapidamente de produzir proteínas desnecessárias.

mRNAs são degradados por três caminhos diferentes. O método o mais comum é a via dependente da deadenilação onde as adeninas são removidas do poli-A cauda de um mRNA, que desencadeia a degradação de ambas as extremidades da transcrição. O complexo de nucleasse deadenilante degrada a cauda poli-A em uma direção de três prime a cinco prime.

Depois que as adeninas são removidas, o mRNA é degradado de forma mais completa no mesmo sentido pelo complexo exossoma citoplasmático. A extremidade do cinco prime de um mRNA tem uma tampa para protegê-lo dos exonucleases. O mRNA muitas vezes forma um loop onde suas cinco tampas prime e três cauda poli-A prime são mantidas juntas por proteínas específicas.

Quando a cauda poli-A se reduz a menos de 15 resíduos, muitas dessas proteínas não podem ligar-se à cauda poli-A, que expõe a tampa principal cinco às enzimas de deterioração. Isto resulta então no destapamento do cinco prime. Este mRNA destapado é então degradado de cinco prime a três direção prime por outra exonuclease.

O segundo tipo de degradação é uma via independente de deadenilação onde enzimas de destapamento retiram as cinco tampas prime. Uma exonuclease então degrada o mRNA desprotegido de cinco prime para três primes. A terceira via, e o caminho menos frequente, envolve a clivagem interna de um mRNA usando endonuclease específicas.

Os fragmentos do mRNA têm cinco pontas prime e três extremidades prime desprotegidas. Exonucleases específicas podem então agir nestes fins desprotegidos e degradar o mRNA. A degradação do mRNA ocorre em corpos de proteína agregados conhecido como de processamento ou corpos de P.Estes corpos de P contêm enzimas, incluindo aquelas envolvidas em destapamento e na degradação de cinco prime a três prime do mRNA.