11.2: Рибопереключатели

Рибопереключатели — это некодирующие домены мРНК, которые регулируют транскрипцию и трансляцию нижестоящих генов без помощи белков. Рибопереключатели связываются непосредственно с метаболитом и могут образовывать уникальные структуры «стебель-петля» или «шпилька» в зависимости от количества присутствующего метаболита. У них есть две отдельные области — аптамер, связывающий метаболиты, и платформа экспрессии.

Аптамер обладает высокой специфичностью к определенному метаболиту, что позволяет рибопереключателям специфически регулировать транскрипцию даже в присутствии многих других биомолекул. Аптамеры связывают ряд органических молекул, включая пурины, коферменты и аминокислоты. Они также связывают неорганические молекулы, такие как катионы магния и анионы фтора. Большинство аптамеров связывают свои лиганды посредством водородных связей или электростатических взаимодействий. На рибопереключателе может быть один или несколько участков связывания лиганда. В лизиновом рибопереключателе на аптамере присутствует единственный участок связывания лизина. Напротив, в глициновом рибопереключателе на мРНК присутствуют два отдельных глицин-специфичных аптамера, что позволяет аптамеру воспринимать только очень высокие концентрации глицина, поскольку рибопереключатель функционирует только тогда, когда две молекулы связаны.

Платформа экспрессии регулирует транскрипцию или трансляцию, образуя антитерминаторную или терминаторную структуру. Формирование этих структур зависит от связывания метаболита с аптамером. При низких концентрациях метаболиты не связываются с аптамером. Это будет сигнализировать платформе экспрессии о необходимости формирования антитерминаторной структуры, которая позволит продолжить транскрипцию или трансляцию. Напротив, когда метаболит присутствует в высоких концентрациях, он связывается с аптамером. В этом случае платформа экспрессии образует терминаторную структуру, за которой следует ряд остатков урацила, что заставляет РНК-полимеразу диссоциировать от транскрипта и цепи ДНК, тем самым завершая транскрипцию. Платформа экспрессии также может ингибировать связывание рибосомы с транскриптом, образуя шпильку с сайтом связывания рибосомы, также известную как последовательность Шайна-Дальгарно, предотвращая инициацию трансляции. Другой механизм, с помощью которого рибопереключатели регулируют транскрипцию, заключается в том, что они действуют как ферменты РНК или рибозимы, что наблюдается в рибопереключателе-рибозиме glmS. Эти рибозимы расщепляют мРНК рибопереключателя, когда метаболит связывается, а затем оставшаяся мРНК разрушается под действием РНКазы, что приводит к ингибированию трансляции.

Считалось, что рибопереключатели присутствуют только у бактерий и архей, но недавно их обнаружили также у растений и грибов. На данный момент у эукариот обнаружены только рибопереключатели, специфичные для тиаминпирофосфата (TPP). В отличие от бактерий, гены эукариот содержат интроны, которые не позволяют одновременно осуществлять транскрипцию и трансляцию в одном и том же транскрипте; следовательно, эти рибопереключатели регулируют транскрипцию путем альтернативного сплайсинга. У некоторых растений рибопереключатель TPP присутствует в 3'-нетранслируемой интронной области гена THIC. Низкие уровни TPP маскируют близлежащий 5’-участок сплайсинга 3’-нетранслируемой области, производящий стабильную мРНК. Однако при наличии высоких концентраций TPP TPP связывается с рибопереключателем и обнажает 5’-участок сплайсинга 3’-нетранслируемой области. Удаление интрона приводит к образованию нестабильной мРНК, которая не может производить белок.

Рибопереключатели замысловато свернутые структуры мРНК напрямую связанные с метаболитом и переключающие выражения последующих генов в транскрипте в рабочее/нерабочее положение. Эти структуры регулируют синтез различных метаболитов, включая гуанин, коэнзим B12 и лизин. Обычно они расположены на пяти первичных некодирующих концах прокариотической мРНК и не требует для функционирования белки.

У Рибопереключателей две основных области, аптамер, весьма специфический датчик связывания метаболитов, и экспрессионная платформы, которая выступает в качестве эффектора транскрипции или трансляции. Если недостаточно количество метаболита, он не может быть привязен к аптамеру. Это приводит к тому, что экспрессионная платформа формирует структуру антитерминатор, которая разрешает выполнение транскрипции и трансляции.

Когда метаболит присутствует, и его концентрация выше порогового значения концентрации, он связывается с аптамером. Это изменит подтверждение платформы экспрессии от анти-терминаторной к терминаторной, что блокирует транскрипцию и трансляцию. Рибопереключтель может регулировать экспрессию генов двумя различными механизмами.

Первый механизм влияет на транскрипцию генов. Когда метаболит связывается с аптамером, анти-терминатор преобразуется в терминатор. Это приводит к высвобождению РНК полимеразы из мРНК и шаблона ДНК, что ведёт к прекращению транскрипции.

Второй механизм касается трансляции mRNA. Когда метаболит связывается с аптамером, терминатор блокирует сайт связывания рибосомы, делая сайт недоступным для связывания рибосомы и предотвращения начало трансляции.