IRES

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Строение элемента IRES вируса гепатита С

IRES (англ. Internal Ribosome Entry Site — участок внутренней посадки рибосомы, русская аббревиатура практически не используется) — регуляторные мотивы мРНК, задействованные в кэп-независимом механизме инициации трансляции, при котором рибосома связывается с мРНК в области этих мотивов в 5'-нетранслируемой области недалеко от сайта инициации трансляции[1].

История[править | править вики-текст]

Участки внутренней посадки рибосомы были открыты в мРНК полиовируса и вируса энцефаломиокардита[en] в 1988 году группами Н. Соненберга[en][2] и Э. Виммера[en][3] соответственно. Они обнаружили, что внутри молекулы РНК есть участки, способные связывать рибосомы, тем самым инициируя трансляцию. Оказалось, что если поместить IRES между двумя репортёрными генами в мРНК, то второй (3'-концевой) цистрон также будет экспрессироваться. Однако использование данного метода (т. н. метода бицистронных конструкций) может привести к ряду артефактов, связанных со сплайсингом и потенциальной промоторной активностью сайтов внутренней посадки рибосомы[4].

Механизм[править | править вики-текст]

Элементы IRES обнаружены в 5'-нетранслируемых областях геномных мРНК вирусов и позволяют им транслироваться независимо от кэпа. Ряд клеточных мРНК также может содержать IRES[5]. К ноябрю 2005 года было известно около 50 содержащих IRES вирусов и около 73 мРНК[6].

Клеточные IRES[править | править вики-текст]

В клетках IRES отвечают за сборку рибосом как на кэпированных, так и некэпированных транскриптах тогда, когда кэп-зависимая инициация трансляции подавляется стрессом, определённой стадией клеточного цикла или апоптоза, тем самым обеспечивая продолжительную экспрессию необходимых белков. Ряд генов, чьи мРНК содержат IRES — c-Myc, APAF1, Bcl-2 — при нормальных условиях экспрессируются мало, но в условиях их уровень экспрессии возрастает за счёт кэп-независимой трансляции, опосредованной IRES. Считается, что IRES могут также участвовать в поддержании низкого уровня экспрессии ряда генов при нормальных условиях, «забирая» рибосомы на себя и тем самым снижая их присоединение к основным сайтам начала трансляции. Такой механизм внутренней инициации в настоящее время плохо понятен, однако совершенно ясно, что эффективность IRES сильно зависит от транс-регуляторных белковых факторов, что даёт возможность для клеткоспецифичной IRES-опосредованной трансляции[1].

Было установлено, что структуры в 5'-UTR могут влиять на активность IRES, причём это влияние может быть опосредовано взаимодействиями как с различными транс-регуляторными факторами, так и непосредственно с рибосомами. Примерами генов, активность IRES которых находится под контролем транс-регуляторных белков, является семейство протоонкогенов Myc, участвующих в пролиферации клеток. Присоединение рибосом к IRES зависит от по меньшей мере 4 белков, которые связываются с мРНК и изменяют её конформацию, позволяя сесть на неё 40S-субъединице рибосомы. Другим примером является вирус гепатита С, чей геном высокоструктурированный IRES, состоящий из двух крупных доменов, которые, в свою очередь, состоят из консервативных шпилек, взаимодействующих с 40S-субъединицей и eIF3, формируя инициаторный комплекс[7].

Структуры эукариотических IRES очень разнообразны, и среди них не было выявлено никаких консервативных последовательностей и мотивов. У некоторых генов для эффективной работы IRES необходимы стабильные структуры в мРНК, а у других генов такие структуры, напротив, ингибируют IRES-опосредованную трансляцию. Было высказано предположение, что IRES не являются жёстко зафиксированными структурами и способны к перемещениям, изменяя при этом свою активность. IRES могут также обусловливать образование различных изоформ белка, тем самым дополнительно расширяя число возможных белковых продуктов, получаемых с одного гена[8].

Наличие IRES между AUG и старт-кодонами, отличными AUG, свидетельствует о возможной роли IRES в способствовании инициации трансляции со слабых нестандартных старт-кодонов. IRES также могут взаимодействовать с короткими рамками считывания (uORF). Показано, что наличие IRES нельзя только предсказать: для достоверной информации необходимо использовать экспериментальные данные. Вообще, в настоящее время механизм действия IRES как регуляторных элементов плохо понятен, и для выяснения их роли и механизмов действия необходимы дальнейшие исследования[8].

Х-связанный ингибитор апоптоза[en] (англ. X-linked inhibitor of apoptosis, XIAP) играет важную роль в регуляции апоптоза, поэтому его экспрессия должна точно регулироваться. Его 5’-UTR составляет 1,7 килобаз в длину и содержит IRES, облегчающий синтез XIAP в условиях стресса. Кроме мРНК XIAP, чья трансляция регулируется IRES, существует мРНК с более короткой 5'-UTR, появившейся в результате альтернативного сплайсинга. Их 5’-UTR длиной 323 нуклеотида не содержит IRES и содержится в 10 раз в большем количестве, чем мРНК с длинной 5’-UTR. Установлено, что мРНК с короткой 5’-UTR ответственна за образование XIAP в нормальных условиях и транслируется по кэп-зависимому механизму, а мРНК с длинной 5’-UTR обеспечивает образование XIAP в условиях стресса. Итак, комбинация альтернативных 5’-UTR и IRES-опосредованной трансляции обеспечивает постоянную экспрессию XIAP в любых условиях[8].

Другим примером контроля экспрессии генов через различные элементы 5’-UTR, является ген человеческого фактора роста фибробластов 2 (англ. fibroblast growth factor 2, FGF-2). FGF-2 экспрессируется в 5 различных изоформах, образующихся при использовании альтернативных инициаторных кодонов в 5’-UTR, и его трансляция может идти не только кэп-зависимо, но и через IRES. Интересно, что трансляция с 4 из 5 инициаторных кодонов опосредована IRES. Предполагается, что IRES облегчает трансляцию с каждого из этих четырёх кодонов через модуляцию структуры мРНК при помощи транс-активирующих факторов[8].

Вирусные IRES[править | править вики-текст]

Геном полиовируса, содержащий IRES.

Как уже упоминалось, у многих вирусов инициация трансляции происходит по кэп-независимому механизму и осуществляется через уже упоминавшиеся элементы IRES, локализованные в 5'-UTR[9]. Например, так происходит у ВИЧ, вирусов гепатита А и С[10]. Такой механизм инициации трансляции удобен тем, что в его случае нет необходимости в сборке пре-инициаторного белкового комплекса, и вирус может быстро размножаться[11].

Следует иметь в виду, что многие вирусные мРНК имеют на своём 5'-конце ковалентно связанный белок (VPg[en]), поэтому использование кэп-зависимой инициации для них исключено. Более того, ряд их был изучен весьма подробно. Так было показано, что IRES группы вируса гепатита С связывают 40S-рибосомную субчастицу таким образом, что инициаторный кодон мРНК оказывается непосредственно в Р-участке рибосомы без какого-либо сканирования мРНК. IRES многих пикорнавирусов не связывают 40S напрямую, а делают это через фактор инициации 4G, высокоафинный сайт связывания которого находится в IRES[12].

Клиническое значение[править | править вики-текст]

Поскольку мотивы IRES играют важнейшие роли в регуляции ряда генов, мутации, затрагивающие IRES, приводят к развитию тех или иных заболеваний. В частности, к числу таких заболеваний у человека относят Х-связанную болезнь Шарко — Мари — Тута[en], множественную миелому и синдром ломкой Х-хромосомы[13].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Barrett et. al., 2013, p. 14
  2. Pelletier J, Sonenberg N. (1988). «Internal initiation of translation of eukaryotic mRNA directed by a sequence derived from poliovirus RNA». Nature 334: 320—325. DOI:10.1038/334320a0. PMID 2839775.
  3. Jang SK, Kräusslich HG, Nicklin MJ, Duke GM, Palmenberg AC, Wimmer E. (1988). «A segment of the 5' nontranslated region of encephalomyocarditis virus RNA directs internal entry of ribosomes during in vitro translation». J Virol. 62: 2636—2643. PMID 2839690.
  4. Kozak M. (2005). «A second look at cellular mRNA sequences said to function as internal ribosome entry sites». Nucleic Acids Res. 33 (20): 6593—6602. DOI:10.1093/nar/gki958. PMID 16314320.
  5. Kerry D. Fitzgerald, Bert L. Semler Bridging IRES elements in mRNAs to the eukaryotic translation apparatus // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) —- Gene Regulatory Mechanisms. — 2009. — Т. 1789. — № 9—10. — С. 518—528. — DOI:10.1016/j.bbagrm.2009.07.004
  6. IRESite: Page home
  7. Barrett et. al., 2013, p. 14—15
  8. 1 2 3 4 Barrett et. al., 2013, p. 15
  9. (2012) «Tricks an IRES uses to enslave ribosomes». Trends in Microbiology 20 (11): 558–66. DOI:10.1016/j.tim.2012.08.002. PMID 22944245.
  10. Jeffrey S. Kieft Viral IRES RNA structures and ribosome interactions // Trends in Biochemical Sciences. — 2008. — Т. 33. — № 6. — С. 274—283. — DOI:10.1016/j.tibs.2008.04.007
  11. Brown T.A Genomes 3. — New York, New York: Garland Science Publishing, 2007. — P. 397. — ISBN 0 8153 4138 5
  12. Christopher U. T. Hellen, Peter Sarnow Internal ribosome entry sites in eukaryotic mRNA molecules // Genes & Dev.. — 2001. — Т. 15. — С. 1593—1612. — DOI:10.1101/gad.891101
  13. Sangeeta Chatterjee, Jayanta K. Pal Role of 5- and 3-untranslated regions of mRNAs in human diseases // Biol. Cell. — 2009. — С. 251—262. — DOI:10.1042/BC20080104

Литература[править | править вики-текст]