Transfer-messenger RNA (tmRNA, engelsk Transfer-messenger RNA ), også kendt som 10Sa-RNA og SsrA-RNA [1] , er et lille RNA på 260 til 430 nukleotider langt , som er involveret i frigivelsen af ribosomer , der "sidder fast" under translation af problemområder af mRNA , samt ødelæggelse af defekte peptider som følge af ufuldstændig translation . Mekanismen for frigivelse af et ribosom med et defekt mRNA med deltagelse af tmRNA kaldes trans - translation. Det første tmRNA blev opdaget i 1994 [2] i Escherichia coliEscherichia coli , og siden da er tmRNA'er blevet beskrevet i forskellige grupper af bakterier [3] . tmRNA- gener findes i genomerne af næsten alle bakterier og mange organeller [4] .
Som navnet antyder, kombinerer tmRNA egenskaberne af både tRNA og mRNA, og tmRNA-molekyler indeholder domæner, der strukturelt og funktionelt ligner tRNA og mRNA. Imidlertid er tmRNA næsten fem gange større end tRNA. De meget konserverede endedele af molekylet danner en struktur svarende til tRNA-acceptorstammen. Ved siden af disse regioner er sekvenser, der ligner T- og D-løkken af tRNA og har tilsvarende nukleotidmodifikationer . Tilsammen danner disse regioner en struktur, der ligner L-formen af tRNA, dog blottet for antikodonen [5] .
Det mRNA-lignende domæne er repræsenteret af den centrale del af tmRNA- molekylet , som indeholder en åben læseramme, der koder for et peptid på 10-27 aminosyrer og ender med et stopkodon . Den har ikke en startkodon , så dens normale oversættelse er umulig. Forkortelse eller forlængelse af den åbne læseramme med et kodon er tilladt uden at forstyrre funktionen af trans - translation [1] . Fra 5'-enden støder det mRNA-lignende domæne op til sekvensen, der danner pseudoknoten , og fra 3'-enden er der yderligere tre pseudoknoter. Pseudoknotter spiller en vigtig rolle i molekylets interaktion med ribosomet og translationsfaktorer [6] . Pseudoknots er normalt bevarede, men nogle gange undergår de ændringer, for eksempel i cyanobakterier erstattes den sidste pseudoknot af to mindre pseudoknots arrangeret i tandem. Under trans - translation ødelægges baseparring i området for de sidste tre pseudoknots [7] [8] .
I nogle tilfælde observeres cirkulære permutationer i tmRNA (det vil sige, at et fragment af tmRNA -genet, der koder for en af de to funktionelle dele af tmRNA, er vendt i den modsatte retning, på grund af hvilket tmRNA er opbygget af to separate fragmenter). De er karakteristiske for alle α-proteobakterier og primitive mitokondrier fra protister af Jakobida- gruppen , to grupper af cyanobakterier ( slægten Gloeobacter og en klade indeholdende slægten Prochlorococcus og mange arter af slægten Synechococcus ) , såvel som for nogle β-proteobakterier , fx Cupriavidus . Sådanne tmRNA'er består af to dele: acceptor og kodning, desuden indeholder de aldrig mere end to pseudoknoter [9] [10] .
En typisk E. coli -celle indeholder omkring 500 kopier af tmRNA. Som mange andre RNA'er gennemgår tmRNA post -transkriptionel behandling , som består i fjernelse af adskillige nukleotider fra begge ender af adskillige RNaser , herunder RNase P , som også fungerer i tRNA-modning, såvel som exonukleaser RNase T og RNase PH [11] [12] . Det forarbejdede tmRNA binder til SmpB -proteinet , og det resulterende kompleks genkendes af alanyl-tRNA-syntetase , som tilføjer en alaninrest til 3'-enden af tmRNA [13] . I modsætning til mange andre aminoacyl-tRNA-syntetaser genkender alanin-aminoacyl-tRNA-syntetase ikke anticodonet af det aminoacylerede tRNA, så det kan også arbejde med tmRNA, der mangler anticodonet [14] . Det tredje basepar af acceptorstammen er ikke-Watson-Crick, G - U , og det er hende, der genkendes af alanin-tRNA-syntetase [5] .
Nogle gange er tmRNA'er kodet af mobile genetiske elementer , for eksempel er de til stede i 10% af mykobakteriofager [15] . Mange transponerbare elementer forstyrrer tmRNA-gener. Disse inkluderer selvsplejsende type I-introner , palindromiske rickettsia- elementer og genomiske øer , der koder for integrase [16] [17] [18] [19] .
I 2015 blev tmRNA Website- databasen lanceret , indeholdende tmRNA-sekvenser, deres alignments og annoteringer, samt sekvenserne af SmpB-proteinet, som er tæt beslægtet med tmRNA [4] .
SmpB er det vigtigste protein , der binder til tmRNA. Det er lige så stærkt konserveret blandt bakterier som tmRNA. SmpB binder til det tRNA-lignende domæne af tmRNA og forhindrer tmRNA i at blive ødelagt, mens det er uden for ribosomet , og forbedrer også tmRNA-aminoacylering. Det globulære domæne af proteinet interagerer med det tRNA-lignende domæne , på grund af hvilket fraværet af den nederste halvdel af L-formen af tRNA i tmRNA kompenseres. Det tRNA-lignende domæne efterligner således tRNA i kompleks med SmpB. E. coli - ribosomet har mindst to SmpB-bindingssteder, det ene i A-stedet og det andet i dets P-sted, på grund af hvilket komplekset af tmRNA og SmpB, der efterligner tRNA, også bevares i ribosomet. Ud over SmpB kan det ribosomale protein S1 og translationsforlængelsefaktor EF -Tu binde til tmRNA . S1 er ikke nødvendig for de første begivenheder af transtranslation (før dannelsen af en ny peptidbinding ), men kan være vigtig for efterfølgende trin. EF-Tu i kompleks med GTP binder til tmRNA, der bærer en alaninrest og leverer den til A-stedet af ribosomet, som ved normal translation [5] .
Ribosomstop på mRNA kan opstå, hvis det ikke indeholder et stopkodon, hvis det indeholder en gruppe kodoner, for hvilke der ikke er aminoacylerede tRNA'er i cellen, og også i tilfælde, hvor mRNA'et danner en stabil tredimensionel struktur, der interfererer med ribosomets fremgang. Det bemærkes dog, at nogle mRNA'er undergår trans -translation meget oftere end andre, og forskellige mRNA'er gennemgår aktiv trans - translation i forskellige bakteriearter . Efter leveringen af tmRNA-komplekset med SmpB hydrolyseres GTP til GDP , hvilket forårsager konformationelle omlejringer, på grund af hvilke EF-Tu i komplekset med GDP forlader ribosomet, og det alanin-bærende tRNA-lignende domæne forbundet med SmpB vises i A-sted. Under denne proces interagerer den C-terminale hale af SmpB med mRNA-kanalen placeret bag A-stedet. Hvis der er mRNA i kanalen, vil interaktionen ikke forekomme. Derefter overføres peptidet syntetiseret før ribosomet stopper til alaninresten af tmRNA. Det resulterende kompleks af peptidet, tRNA-lignende domæne og SmpB bevæger sig fra A-stedet til P-stedet i ribosomet, og for at kunne bevæge sig skal forbindelsen mellem den C-terminale hale af SmpB og mRNA-kanalen blive knækket. Dernæst sker en konformationel omlejring af den C-terminale hale af SmpB, på grund af hvilken translation af tmRNA kan begynde [5] . Med andre ord, i stedet for det problematiske mRNA, begynder ribosomet at oversætte den åbne læseramme til tmRNA. Under den første translokation af ribosomet forlader mRNA ribosomet ved hjælp af EF-G-faktoren, og det ødelægges af specifikke RNaser . Proteinsyntese , hvor to kodende RNA'er bruges i rækkefølge, kaldes trans - translation. Når ribosomet fuldfører translation af tmRNA'et, dannes et kimært peptid, hvis C-terminale ende aflæses fra tmRNA'et. Det spiller rollen som et mærke, der genkendes af bakterielle proteolysesystemer , der nedbryder det defekte peptid [20] .
tmRNA- mutationer , der umuliggør aminoacylering, blokerer også for tmRNA's evne til at kode for tag-peptidet, så det at fungere som et tRNA råder over den kodende evne [5] .
For at normalt tRNA kan komme ind i ribosomets A-sted, er interaktion med mRNA'et i dets antikodon nødvendig. Imidlertid har tmRNA ikke et anticodon, og tilsyneladende efterligner den nederste del af tRNA'et, der indeholder anticodonet, SmpB. For at genkende det ribosom, der skal frigives fra transkriptet, er hydrolyse af GTP påkrævet. Først efter det vedtager SmpB en konformation, der gør det muligt for det at vurdere belægningen af mRNA-kanalen [5] .
Trans -translation er således nødvendig for at forhindre akkumulering af trunkerede peptider og defekte mRNA'er i cellen . Således binder RNase R til SmpB i kompleks med tmRNA. Den aktiveres under stressforhold, og hos Caulobacter crescentus afhænger dens aktivitet af cellecyklusstadiet [5] .
Analyse af talrige bakterielle genomiske sekvenser har vist, at tmRNA og trans -translation findes i hver bakteriecelle. tmRNA-regionen svarende til tRNA har en konserveret sekvens i modsætning til resten af molekylet. Sekvensen af tag-peptidet og dets længde er ikke meget konserveret, men dets sidste fire aminosyrerester er meget konserverede og danner A L AA-sekvensen. Det er hende, der er målet for periplasmatisk protease og cytoplasmatisk ATP-afhængige proteaser, som ødelægger defekte polypeptider [5] . Mærkeligt nok er komplekset af Mycobacterium tuberculosis tmRNA og E. coli SmpB ikke- funktionelt, mens komplekset af E. coli tmRNA og M. tuberculosis SmpB fungerer med succes [21] .
Intet bifunktionelt RNA som tmRNA findes i eukaryotes nukleare genom . De har sandsynligvis ikke brug for translationel kvalitetskontrol så meget som bakterier på grund af forskellige mekanismer for mRNA-kvalitetskontrol . I gær er der imidlertid beskrevet en mekanisme svarende til trans -translation, udført af proteiner. I Saccharomyces cerevisiae bliver proteiner oversat fra det defekte mRNA ubiquitineret og målrettet til destruktion i proteasomet . Vi kan ikke udelukke muligheden for, at eukaryoter har bifunktionelle proteiner, der i funktion ligner tmRNA [1] .
For første gang blev mitokondrielt tmRNA fundet i protisten Reclinomonas americana fra Jakobida-gruppen [9] . Efterfølgende blev de identificeret i langt de fleste repræsentanter for Jakobida [22] [23] . tmRNA-gener er også blevet identificeret i mitokondrielle genomer af oomycetes [24] . Mitokondrielle tmRNA'er er karakteriseret ved cirkulære permutationer og består af to dele, og kun i Jakoba libera blev der fundet en inversion , der genoprettede den normale struktur af tmRNA-genet, på grund af hvilken det sædvanlige enkeltdelte tmRNA syntetiseres fra det [23] .
Det skal bemærkes, at bakterier udover trans -translation har andre måder at frigive ribosomet med det problematiske mRNA. For nogle bakterier, såsom Mycoplasma genitalium , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Shigella flexneri og Mycobacterium tuberculosis , er trans -translation imidlertid afgørende. I de bakterier, der kan overleve uden tmRNA, reducerer fraværet af trans -translation cellernes modstand mod stress: høj eller lav temperatur , mangel på næringsstoffer , behandling med ethanol eller calcium , eksponering for syrer og forskellige lægemidler. Desuden stiger intensiteten af trans -translation under stressforhold , hvilket sandsynligvis er forbundet med en stigning i antallet af defekte mRNA'er under disse forhold. Ved mangel på aminosyrer aktiveres RelE- endonukleasen , som skærer transkripterne til dannelse af mRNA uden stopkodoner, som ødelægges under deltagelse af tmRNA. trans -translation er også forbundet med reguleringen af ekspressionen af gener involveret i stressresponset. Derudover, når tRNA ødelægges af colicin E5 og D, går E. coli ind i en tilstand af bakteriostase med deltagelse af tmRNA og SmpB [25] . Overtrædelse af trans -translation reducerer patogeniciteten af nogle bakterier, så der udvikles antibiotika , der forstyrrer denne proces [5] .
trans -translation er også involveret i cellulære processer, der ikke er forbundet med stress. For eksempel i Caulobacter crescentus er cellecyklussen og initieringen af DNA-replikation under kontrol af trans - translation. Ekspressionen af tmRNA og SmpB i denne bakterie øges i den sene G1-fase , men i begyndelsen af replikationen ødelægges DNA hurtigt. Under G1-fasen er tmRNA stabilt, men i begyndelsen af S-fasen ødelægges det af RNase R [1] . I E. coli , i fravær af trans -translation, er initieringen af DNA-replikation forsinket, og væksthastigheden reduceres [26] . I Bacillus subtilis er trans -translation involveret i sporedannelse [5] .
Talrige strukturelle ligheder, såsom bevarede hårnåle og løkker, tyder på, at oprindelsen af tmRNA er tæt beslægtet med tRNA. tmRNA viser talrige strukturelle ligheder med tRNA- introner , som i bakterier er selvsplejsende type I-introner. Det er dog stadig uklart, om tmRNA stammer fra tRNA med en gruppe I-intron eller omvendt. Mærkeligt nok er alanin (den eneste aminosyre, der aminoacylerer tmRNA) en af de aminosyrer, hvis kodoner optrådte i den ældste variant af den forfædres genetiske kode ; dette kan være indikativt for antikken af oprindelsen af tmRNA. En række videnskabsmænd betragter tmRNA som et mellemled mellem RNA-verdenen og det moderne liv baseret på proteinsyntese ved hjælp af ribosomer. Det antages, at den allerførste form for tmRNA dukkede op ved fusionen af to hårnåle korte RNA'er; sådanne tmRNA'er indeholdt en acceptorstamme med en stor intron, såvel som en åben læseramme. Sandsynligvis havde de gamle tmRNA'er adskillige acceptorstammer, der bar andre aminosyrer ud over alanin. Efterfølgende gav sådanne proto-tmRNA'er anledning til moderne tRNA'er og mRNA'er, såvel som moderne tmRNA'er [14] .
| Typer af RNA | |
|---|---|
| Protein biosyntese | |
| RNA-behandling |
|
| Regulering af genekspression |
|
| cis-regulerende elementer | |
| Parasitiske elementer | |
| Andet |
|
| Nukleinsyretyper _ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Nitrogenholdige baser | ||||
| Nukleosider | ||||
| Nukleotider | ||||
| RNA | ||||
| DNA | ||||
| Analoger | ||||
| Vektortyper _ |
| |||
| ||||
| Oversættelse i bakterier | |||
|---|---|---|---|
| |||
| 30S underenhed |
| ||
| 50S underenhed |
| ||
| Indvielse |
| ||
| Forlængelse |
| ||
| Afslutning |
| ||
| Genbrug |
| ||
| Antibiotika |
| ||