RNA termometer eller RNA termometer ( eng. RNA termometer, RNA termosensor, RNAT ) er et temperaturfølsomt ikke-kodende RNA , der er involveret i reguleringen af genekspression . RNA- termometre regulerer som regel gener , der er nødvendige for respons på varme eller kuldechok , men deres deltagelse i reguleringen af langvarig sult og patogenicitet er blevet vist [1] .
Funktionsprincippet for et RNA-termometer er at ændre den sekundære struktur af dette molekyle som reaktion på en temperaturændring . Under disse strukturelle ændringer blotlægges vigtige dele af dette RNA, for eksempel ribosombindingsstedet , eller går omvendt dybt ind i molekylet, hvorved translationen af det nærliggende proteinkodende gen påvirkes.
RNA-termometre giver sammen med riboswitches støtte til RNA-verdenshypotesen . Ifølge denne teori var den eneste nukleinsyre, der var til stede i celler , RNA, som efterfølgende blev erstattet af det moderne DNA → RNA → proteinsystem [2] .
Eksempler på RNA-termometre er FourU [3] , cis - regulatorisk element Hsp90 [4] , ROSE element [5] , Hsp17 termometer [6] .
Opdagelsen af det første temperaturfølsomme RNA-element blev rapporteret i 1989 [7] . Tidligere undersøgelser har vist, at mutationer opstrøms for translationsstartstedet i mRNA cIII af lambda-fagen (λ) påvirker niveauet af translation af protein cIII [8] . Dette protein er involveret i valget af programmet ( lytisk eller lysogen vej) for λ-fagens livscyklus, og en høj koncentration af cIII-protein svarer til den lysogene vej [8] . Yderligere undersøgelser viste, at denne opstrøms RNA-region har to alternative sekundære strukturer. Det viste sig, at disse strukturer ikke er udskiftelige og afhænger af koncentrationen af Mg 2+ ioner og temperatur [7] [9] . Det menes nu, at disse RNA-termometre udløser den lytiske vej under varmechokforhold, så bakteriofagen hurtigt kan replikere og forlade værtscellen [1] .
Udtrykket "RNA-termometer" blev først brugt i 1999 [10] , hvor RNA-elementet rpoH fra bakterien Escherichia coli blev navngivet som sådan [11] . For nylig er flere nye mulige RNA-termometre blevet identificeret ved hjælp af bioinformatikteknikker [12] . I dette tilfælde er den sædvanlige sekvenssøgning ineffektiv, da den sekundære struktur af RNA-termometre er meget mere konservativ end deres nukleotidsekvenser [ 12] .
Forskellige tilgange bruges til at studere RNA-termometres funktion. For at studere dynamikken i RNA-termometre kan man erstatte almindelige nukleotider på visse steder med fluorescerende og dermed observere deres ændringer [13] . For at bestemme positionen af RNA-termometeret i den sekvens, der undersøges ved bestemte temperaturer, blev en speciel webserver RNAthermsw udviklet [14] . For at identificere bakterielle RNA-termometre anvendes også genetiske metoder, for eksempel Tet-Trap [15] .
De fleste af de i øjeblikket kendte RNA-termometre er placeret i de 5'-utranslaterede regioner (5'-UTR'er) af prokaryote mRNA'er, der koder for varmechokproteiner . Måske skyldes disse resultater selektionsbias og uoverstigelige vanskeligheder med at finde korte ikke-konservative sekvenser i genomiske data [16] [17] .
Selvom de fleste kendte RNA-termometre er blevet fundet i prokaryoter (inklusive cyanobakterier [18] ), er mulige RNA-termometre blevet identificeret i pattedyr , inklusive mennesker [19] . Hos mennesker aktiverer den formodede termosensor varmechok RNA-1 (HSR1) varmechok transkriptionsfaktor-1 (HSF1) og udløser syntesen af beskyttende proteiner ved temperaturer over 37 °C ( normal kropstemperatur ) , og beskytter derved celler mod overophedning [19] . Det cis -regulatoriske element Hsp90 regulerer ekspressionen af hsp90- chaperonen i Drosophila , hvilket øger dets translation ved høje temperaturer [4] .
Strukturen af RNA-termometre er enkel og kan dannes af korte RNA-sekvenser. Det mindste kendte RNA-termometer er 44 nukleotider langt. Det er placeret i mRNA'et af varmechokproteinet (hsp17) i cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 [6] . Generelt varierer RNA-termometre fra 60 til 110 nukleotider i længden [21] , og de indeholder normalt en hårnål , hvor en lille del af baserne er uparrede . De reducerer strukturens stabilitet, på grund af hvilken den let kan smelte, når temperaturen stiger [16] .
Detaljeret strukturel analyse af ROSE RNA-termometeret viste, at de mismatchede baser faktisk deltager i den ikke-standardiserede baseparring, der opretholder den spiralformede struktur af RNA. Disse usædvanlige par er repræsenteret af G -G , U -U og U C -U par . Fordi disse ikke-kanoniske par er relativt ustabile, forårsager en temperaturstigning lokal fusion af RNA'et i denne region, hvilket blotlægger Shine-Dalgarno-sekvensen [20] .
Nogle RNA-termometre er meget mere komplekse end en enkelt hårnål, som i tilfældet med 5'-UTR af CspA mRNA , hvor RNA-termometeret indeholder en pseudoknot og mange hårnåle [22] [23] .
Der er udviklet kunstige RNA-termometre, der kun indeholder én hårnål [24] . Nukleotidsekvensen af sådanne korte RNA-termometre kan imidlertid være modtagelige for mutationer, og enkeltbasesubstitution kan gøre dette RNA-termometer inaktivt in vivo [25] .
RNA-termometre er placeret i 5'-UTR af mRNA'et, opstrøms for den kodende sekvens [1] . I modsætning til riboswitches, der virker på niveauet for transkription , translation og regulering af mRNA-stabilitet, virker alle i øjeblikket kendte RNA-termometre på niveauet for translationsinitiering [26] . Strukturelle ændringer i RNA-termometre kan fjerne ribosombindingsstedet dybt ind i molekylet og dermed forhindre translation af mRNA til protein [16] . Med stigende temperatur kan hårnålestrukturen af RNA-termometeret smelte og blotlægge ribosomets bindingssted eller Shine-Dalgarno-sekvensen (og i nogle tilfælde startkodonet AUG [18] ), hvilket tillader den lille underenhed af ribosomet ( 30S ) for at binde til mRNA'et, efter hvad hele udsendelsesapparatet går efter [1] . Startkodonet , sædvanligvis placeret 8 nukleotider nedstrøms for Shine-Dalgarno-sekvensen [16] , markerer begyndelsen af den proteinkodende region , som ribosomet oversætter til et peptid . Ud over disse cis - virkende RNA-termometre kendes det eneste transagerende RNA-termometer, som er placeret i RpoS -mRNA'et , hvor det formodes at regulere responsen på langvarig sult [1] .
Som et eksempel kan du overveje FourU Salmonella enterica RNA termometer [3] . Under påvirkning af temperaturer over 45 °C smelter hårnålen, der indeholder Shine-Dalgarno-sekvensen , Shine-Dalgarno-sekvensen bliver uparret, og mRNA-translation bliver mulig [25] . Det er vist, at FourUs stabilitet påvirkes af koncentrationen af Mg 2+ [27] . Det mest undersøgte er RNA-termometeret placeret i mRNA'et af rpoH -genet i E. coli [28] . Denne termosensor regulerer positivt translationen af varmechokproteiner ved høje temperaturer gennem en specialiseret sigmafaktor σ 32 [10] .
Hos Bradyrhizobium japonicum og Rhizobium radiobacter er proteobakterier af ordenen Rhizobiales, RNA-termometrene henholdsvis ROSE 1 og ROSE AT2 blevet beskrevet. De er placeret i 5'-UTR af HspA og undertrykker translationen af varmechokproteiner ved fysiologiske temperaturer [5] [29] .
Selvom RNA-termometre normalt er forbundet med ekspressionen af varmechokproteiner, kan de også regulere ekspressionen af koldchokproteiner [22] . For eksempel i den termofile bakterie Thermus thermophilus reguleres ekspressionen af to 7 kDa -proteiner af et RNA-termometer [30] , og en lignende mekanisme er også blevet beskrevet i Escherichia coli [23] .
RNA-termometre, der reagerer på 37°C, kan bruges af patogener til at aktivere gener forbundet med infektion . For eksempel, ved at pode genet, der koder for grønt fluorescerende protein til 5'-enden af prfA genet, som koder for en nøgletransskriptionel regulator af virulensgener i Listeria monocytogenes , blev positiv regulering af prfA ekspression demonstreret : transkription af et sådant hybridgen fra T7 -promotoren E. coli - fluorescens blev observeret ved 37°C, men ikke ved 30°C [31] . RNA-termometre er involveret i reguleringen af virulensen af sådanne patogene bakterier som Leptospira interrogans og Vibrio cholerae [32] . I den patogene bakterie Shigella dysenteriae og patogene stammer af Escherichia coli er RNA-termometre involveret i reguleringen af processer, der påvirker patogenesen [18] [33] [34] .
Nogle gange kan en operon reguleres af flere RNA-termometre. Det forudsiges, at E. coli ibpAB- operonet indeholder to samvirkende RNA-termometre: ROSE-elementet og IbpB-termometeret [35] .
Det skal også bemærkes, at RNA-termometre ikke kun kan bruges til at regulere translationen af monocistroniske transkripter indeholdende en enkelt Shine-Dalgarno-sekvens , men også til polycistroniske transkripter indeholdende flere Shine-Dalgarno-sekvenser [18] . For eksempel, i Pseudomonas putida er modstand mod stress leveret af den tricistroniske operon, som er konserveret blandt mange fritlevende bakterier. De første to gener af denne operon reguleres af RNA-termometre [36] .
RNA-verdenshypotesen hævder, at RNA oprindeligt fungerede som en bærer af arvelig information og udførte enzymatiske processer, og forskellige RNA-sekvenser fungerede som biokatalysatorer , regulatorer og sensorer [37] . Senere, under påvirkning af selektion, begyndte de fleste af funktionerne udført af RNA at blive udført af andre biomolekyler , og liv baseret udelukkende på RNA blev erstattet af liv baseret på DNA , RNA og protein [2] .
Det menes, at RNA-termometre og riboswitches er evolutionært ældgamle elementer, da de er udbredt i de evolutionært fjerneste organismer [38] . Det er blevet foreslået, at i RNA-verdenen udførte RNA-termometre temperaturafhængig regulering af andre RNA'er [2] [39] . I moderne organismer er RNA-termometre muligvis " molekylære fossiler ", der var meget mere almindelige i den svundne RNA-verden, end de er nu [2] .
Til temperaturkontrol af genekspression i bakterier udvikles kunstige RNA-termometre [40] [24] .
I 2013 blev der udviklet "termozymer" - kunstige RNA-termometre med ribozymaktivitet . Den termosensoriske hårnål i smeltet tilstand hæmmer ribozymets arbejde, som frigiver ribosombindingssekvensen. Ved forhøjede temperaturer smelter hårnålen, ribozymet inaktiveres, og genekspression undertrykkes. Termozym reagerer således på forhøjede temperaturer på den modsatte måde af naturlige RNA-termometre [41] .
I 2016 blev oprettelsen af "termiske kontakter" rapporteret - integrationen af temperaturfølsomme RNA-termometre og riboswitch- aptamerer i en enkelt struktur. Termiske switche fungerer som riboswitches ved lave temperaturer og reagerer på binding med deres ligand ved at ændre strukturen, og ved høje temperaturer går de i en permanent "on" tilstand. Termiske kontakter er således de første RNA-termometre, der fungerer på transskriptionsniveau . Sådanne kunstige RNA-regulatorer kan i vid udstrækning bruges til at regulere genekspression [26] .
I 2016 blev RNAiFold2T-algoritmen foreslået til udvikling af specifikke RNA-termometre indeholdende IRES. Den hætte -uafhængige translation af sådanne termo-IRES-elementer er ca. 50 % mere intens ved 42°C end ved 30°C. Imidlertid er deres translationseffektivitet stadig mindre end vildtype IRES, som ikke afhænger af temperaturen [42] .
| Typer af RNA | |
|---|---|
| Protein biosyntese | |
| RNA-behandling |
|
| Regulering af genekspression |
|
| cis-regulerende elementer | |
| Parasitiske elementer | |
| Andet |
|