PiРНК: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
Нет описания правки
(дополнение)
Строка 1: Строка 1:
'''piРНК''' ({{lang-en|piwi-interacting RNA, piRNA, piwiRNA}}) — наиболее крупный класс малых [[Некодирующие РНК|некодирующих РНК]], [[Экспрессия генов|экспрессируемых]] в [[Клетка (биология)|клетках]] [[Животные|животных]]<ref name="Ceto">{{cite pmid|17560367}}</ref>; они обнаружены в комплексах с [[Белок|белками]] семейства {{нп5|Piwi||en|piwi}}, за что и получили своё название. piРНК обычно длиннее [[микроРНК]] и [[Малые интерферирующие РНК|малых интерферирующих РНК]] и имеют длину 26—32 [[нуклеотид]]а<ref name="Мак">{{статья |автор=Макарова Ю. А., Крамеров Д. А. |заглавие=Некодирующие РНК |ссылка=http://kit.eimb.relarn.ru/PDF/Makarova_07_B_ru.pdf |язык=рус. |издание=Биохимия |тип=журнал |год=2007 |том=72 |номер=11 |страницы=1427—1448 |doi= |issn=}}</ref>, кроме того, в отличие от микроРНК, они не так [[Консервативные последовательности|консервативны]]<ref name=Ceto/>. Белки Piwi относятся к большой группе белков [[Argonaute]] и экспрессируются почти исключительно в {{нп5|Клетки зародышевой линии|клетках зародышевой линии|en|Germline}}; они необходимы для поддержания [[Стволовые клетки|стволовых клеток]] зародышевой линии, [[сперматогенез]]а и репрессии [[Мобильные элементы генома|мобильных элементов]]. Комплексы Piwi с piРНК не только задействованы в [[Подавление экспрессии генов|сайленсинге]] [[ретротранспозон]]ов и других генетических элементов на пост-[[Трансляция (биология)|трансляционном]] уровне, но имеют и [[Эпигенетика|эпигенетические]] эффекты<ref name=siomi_review>{{cite pmid|21427766}}</ref>.
{{редактирую|1=[[Служебная:Contributions/Minina|Minina]]|2=10 июля 2014}}
'''piРНК''' ({{lang-en|piwi-interacting RNA, piRNA, piwiRNA}}) — РНК, взаимодействующие по piwi-типу — это класс [[Малые РНК|малых РНК]],<ref name=Molecular>Molecular Biology Select. Cell, 2006. 126(2): p. 223, 225—223, 225.</ref><ref name=Seto>Seto, A.G., R.E. Kingston, and N.C. Lau, The Coming of Age for Piwi Proteins. Molecular Cell, 2007. 26(5): p. 603—609.</ref> которые [[Экспрессия генов|экспрессируются]] в клетках животных и образуют комплексы с белками piwi. Такие piRNA комплексы ({{lang-en|piRC}}) вовлечены в [[сайленсинг]] транскрипции генов [[Ретротранспозоны|ретротранспозонов]] и других генетических элементов в клетках зародышевого пути, например, при [[сперматогенез]]е. У млекопитающих piRNA образуются как в [[яички|яичках]] в клетках зародышевого пути, так и в [[соматические клетки|соматических клетках]]. Выделение таких комплексов показало, что эти [[олигонуклеотиды]] имеют длину около 26—30 [[нуклеотид]]ов. Они отличаются по размеру от [[miRNA]] и связаны с различными белковыми комплексами. Хотя не совсем понятно, как образуются piRNA, их пути синтеза отличаются от [[miRNA]] и [[siRNA]].<ref name=Klattenhoff>Klattenhoff, C. and W. Theurkauf, Biogenesis and germline functions of piRNAs. Development, 2008. 135(1): p. 3-9.</ref>


Остаётся не вполне ясным, как образуются piРНК, однако были предложены потенциальные методы исследования для этого вопроса, и установлено, что некоторые пути их образования отличаются от такового у микроРНК и малых интерферирующих РНК. В то же время некоторые малые некодирующие РНК другой группы, {{нп5|rasiRNA||en|RasiRNA}}, считаются относящимися к piРНК<ref name=Klattenhoff>{{cite pmid|18032451}}</ref><ref name="Мак" />.
piRNA принимают участие в [[сайленсинг]]е РНК путем образования [[RISC (биология)|RISC]] ({{lang-en|RNA-induced silencing complex}}). Белки Piwi входят в состав семейства [[Argonaute]], [[экспрессия генов|экспрессия]] которых идет в яичках млекопитающих, и необходимых для развития клеток по зародышевому пути и по пути стволовых клеток.


Число обнаруженных piРНК составляет около 50 тысяч у [[Млекопитающие|млекопитающих]] и 13 тысяч у [[Drosophila melanogaster|дрозофилы]]<ref name="Lin">{{статья |автор=Haifan Lin, Hang Yin, Ergin Beyret, Seth Findley, Wei Deng. |заглавие=The role of the piRNA pathway in stem cell self-renewal. |ссылка= |язык=англ. |издание=Developmental Biology |тип=журнал |год=2008 |том=319 |номер=2 |страницы=479 |doi=10.1016/j.ydbio.2008.05.048 |issn=}}</ref>, что существенно больше числа известных малых РНК других классов. Поскольку значительная часть piРНК, особенно у млекопитающих, не связана с мобильными элементами, можно предполагать, что они выполняют и другие, ещё не описанные функции<ref name="Мак" />.
Три белка подсемейства Piwi — MIWI, MIWI2 и MILI — необходимы для сперматогенеза у мышей.

piРНК были открыты в 2006 году пятью исследовательскими группами<ref name="Мак" />.

== Структура ==
[[Файл:piRNA.jpg|thumb|400px|right|Предполагаемая структура piРНК]]
piРНК были обнаружены как у [[Позвоночные|позвоночных]], так и [[Беспозвоночные|беспозвоночных]], и, хотя особенности [[биогенез]]а и типы взаимодействия с мишенями могут отличаться у разных видов, имеется ряд консервативных черт, присущих всем piРНК. У piРНК не обнаружено никаких выраженных {{нп5|Структурный мотив|мотивов|en|Structural motif}} [[Вторичная структура|вторичной структуры]]<ref name=madurai1982>{{cite journal | author = Kandhavelu M,* Lammi C, Buccioni M, Dal Ben D, Volpini R, Marucci G | year = 2009| title = Existence of snoRNA, microRNA, piRNA characteristics in a novel non-coding RNA: x-ncRNA and its biological implication in Homo sapiens| journal = Journal of Bioinformatics and Sequence Analysis | volume = 1 (2)| pages = 031–040 }}</ref>, их длина составляет 26—32 н., и в 80—90 % случаев и у позвоночных, и у беспозвоночных первым нуклеотидом на 5'-конце является [[уридин]] (U). У [[нематоды]] ''[[Caenorhabditis elegans]]'' на 5'-конце имеется [[фосфат]]ная группа, а на 3'-конце имеет место 2'-O-[[метилирование]]<ref name="Ruby">{{cite pmid|17174894}}</ref>. Такая модификация была также выявлена у дрозофилы<ref name="Vagin">{{cite pmid|16809489}}</ref>, [[данио-рерио]]<ref name="Houwing">{{cite pmid|17418787}}</ref>, [[мыши]]<ref name="Kirino">{{статья |автор=Yohei Kirino & Zissimos Mourelatos |заглавие=Mouse Piwi-interacting RNAs are 2′-O-methylated at their 3′ termini. |ссылка= |язык=англ. |издание=Nature Structural & Molecular Biology |тип=журнал |год=2007 |том=14 |номер= |страницы=347—348 |doi=10.1038/nsmb1218 |issn=}}</ref> и [[крысы]]<ref name=Houwing/>. Фосфатная группа на 5'-конце имеется и у piРНК млекопитающих<ref name="Мак" />. Значение такой модификации пока точно не установлено, но предполагается, что она увеличивает стабильность piРНК<ref name=Houwing/><ref name="Мак" />.

У млекопитающих в семейство Piwi входят три белка: Mili, Miwi и Miwi2. Вероятно, у млекопитающих существуют две популяции piРНК: в первую входят [[РНК]] длиной 26—28 н., ассоциированные с Mili, а вторую составляют РНК длиной 28—32 н., связанные с Miwi. piРНК, ассоциированных с Miwi2, пока не обнаружено<ref name="Мак" />.

== Локализация ==
У млекопитающих около 17 % [[ген]]ов piРНК соответствует [[Повторяющиеся последовательности ДНК|повторяющимся последовательностям]], в том числе мобильным элементам. Стоит заметить, что количество piРНК, соответствующих повторам, меньше, чем доля повторов в [[геном]]е. Так, у [[Грызуны|грызунов]] эти соотношения равны 17 и ~42 % соответственно. Прочие piHНК кодируются уникальными генами, причём гены, кодирующие piРНК, располагаются в кластерах по всему геному. 90 % таких кластеров располагаются на участках, не содержащих аннотированных генов или повторов, но иногда могут находиться в [[интрон]]ах и [[экзон]]ах<ref name="Мак" />. Так, в то время как у ''D. melanogaster'' и позвоночных эти кластеры располагаются в участках, где отсутствуют белоккодирующие гены, у ''C. elegans'' гены piРНК располагаются среди белоккодирующих генов<ref name=Ruby/><ref name=Klattenhoff/><ref name=Brennecke>{{cite pmid|19039138}}</ref>. Каждый такой кластер может кодировать от 10 до многих тысяч piРНК, а его размер может варьировать от 1 до 100 килобаз<ref name=ODonnell>{{статья |автор=O'Donnell K. A., Boeke J. D. |заглавие=Mighty Piwis Defend the Germline against Genome Intruders. |ссылка= |язык=англ. |издание=Cell |тип=журнал |год=2007 |том=129 |номер=1 |страницы=37—44 |doi=10.1016/j.cell.2007.03.028 |issn=}}</ref>. Иногда кластеры piРНК располагаются рядом, но кодируются разными цепями; это может указывать на двунаправленную [[Транскрипция (биология)|транскрипцию]] с общего [[промотор]]а. Обнаружение и краткая аннотация кластеров piРНК в геномах осуществляется при помощи методов [[Биоинформатика|биоинформатики]], которые всё более и более усложняются<ref name=Rosenkranz>{{cite journal|last=Rosenkranz|first=David|coauthors=Zischler, Hans|title=proTRAC - a software for probabilistic piRNA cluster detection, visualization and analysis|journal=BMC Bioinformatics|date=10 January 2012|volume=13|issue=5|doi=10.1186/1471-2105-13-5|url=http://www.biomedcentral.com/1471-2105/13/5/abstract}}</ref>. Хотя наличие кластеров генов piРНК высококонсервативно среди различных [[Биологический вид|видов]], этого нельзя сказать о последовательностях этих генов<ref name="Malone">{{статья |автор=Malone C. D., Hannon G. J. |заглавие=Small RNAs as Guardians of the Genome. |ссылка= |язык=англ. |издание=Cell |тип=журнал |год=2009 |том=136 |номер=4 |страницы=656—668 |doi=10.1016/j.cell.2009.01.045
|issn=}}</ref>. Например, хотя наиболее крупные кластеры piРНК грызунов имеют [[ортолог]]ов у [[человек]]а, сходства последовательностей в этом случае не наблюдается<ref name="Мак" />.

Раньше считалось, что у млекопитающих piРНК и белки Piwi имеются только в [[семенник]]ах<ref name="Мак" />. Однако к настоящему времени установлено, что особая система piРНК имеется и в [[ооцит]]ах млекопитающих<ref>{{cite pmid|18404147}}</ref>. Кроме того, показано, что при [[мейоз]]е в ооцитах [[Корова|коровы]] экспрессируется дополнительный ген белков Piwi — ''PIWI-LIKE 3 (PIWIL3)''. Несмотря на это, piРНК у млекопитающих, по-видимому, функционируют только у самцов<ref>{{статья |автор=Ricardo Andrйs Zacarias Silva. |заглавие=Piwi proteins in mammals: a cow's perspective. |ссылка=http://repositorio.ul.pt/bitstream/10451/4533/1/ulfc090919_Ricardo_Silva.pdf |язык=англ. |издание= |тип= |год=2011 |том= |номер= |страницы= |doi= |issn=}}</ref>. У беспозвоночных piРНК были выявлены как в клетках мужской, так и женской зародышевой линии<ref name=Houwing/>.

На клеточном уровне piРНК были найдены и в [[Клеточное ядро|ядре]], и в [[Цитоплазма|цитоплазме]], что свидетельствует о том, что piРНК могут функционировать и там, и там<ref name=Klattenhoff/>, и в связи с этим иметь множественные эффекты<ref name=Ruvkun>{{статья |автор=Ruvkun G. |заглавие=Tiny RNA: Where do we come from? What are we? Where are we going? |ссылка= |язык= |издание=Trends in Plant Science |тип= |год=2008 |том=13 |номер=7 |страницы=313—316 |doi= |issn=}}</ref>.

== Образование и функции ==
=== Сайленсинг мобильных элементов ===
Уровень экспрессии piРНК меняется в ходе сперматогенеза. Они начинают детектироваться в [[Пахитена|пахитене]] (фаза [[Профаза|профазы]] I деления [[мейоз]]а) при делении [[диплоид]]ных [[сперматоцит]]ов мейозом, однако при образовании гаплоидных [[Сперматида|сперматид]] содержание piРНК в них резко падает, и в зрелой [[Сперма|сперме]] они, судя по всему, отсутствуют<ref name="Мак" />.

Механизмы образования piРНК еще не полностью установлены, хотя было предложено несколько возможных механизмов. В случаях, когда гены piРНК попадают в экзоны, piРНК соответствуют только смысловой (сенс-) цепи [[мРНК]], поэтому они образуются только с одной цепи [[ДНК]] и, вероятно, являются производными длинных первичных транскриптов-предшественников. Это предположение согласуется с данными о наличии семенникоспецифичных {{нп5|EST||en|Expressed sequence tag}} и мРНК, соответствующих [[локус]]ам piРНК. Кроме того, в составе кластеров piРНК не выявлено развитых вторичных структур, характерных для pri-микроРНК. Поэтому [[Процессинг РНК|процессинг]] piРНК, судя по всему, отличается от процессинга микроРНК и малых интерферирующих РНК. Об отсутствии двуцепочечных предшественников, характерных, в частности, для микроРНК, свидетельствует наличие только смысловых последовательностей у некоторых уникальных piРНК<ref name="Мак" />.

Хотя механизмы процессинга piРНК остаются загадкой, некоторые сведения получены при исследовании гаметогенеза у самцов дрозофилы. У дрозофилы семейство Piwi представлено 3 белками: Piwi, Aubergine (Aub) и Ago3. В ходе первичного процессинга из транскрипта кластера piРНК образуются [[Антисмысловые РНК|антисенс]]-piРНК (первичные piРНК), [[Комплементарность (биология)|комплементарные]] транскриптам мобильных элементов. Они связываются с Piwi или Aub и направляются к транскрипту, с которым комплементарно связываются. Piwi, Aub и Ago3, как и другие белки группы Argonaute, разрезают [[Фосфодиэфирная связь|фосфодиэфирную связь]] в РНК-мишени, расположенную напротив 10-го и 11-го нуклеотидов [[Guide RNA|гидовой РНК]] (в данном случае — первичных piРНК). В результате разрыва образуется два фрагмента транскрипта мобильного элемента, у одного из которых 5'-конец отстоит на 10 нуклеотидов от 5'-конца первичной piРНК. Этот фрагмент — вторичная piРНК — в отличие от первичных piРНК некомплементарен транскрипту мобильного элемента и является сенс-piРНК. Поскольку чаще всего у первичных piРНК первый нуклеотид — уридин, то на 10-й позиции с 5'-конца у вторичных piРНК чаще всего располагается [[аденин]]овый нуклеотид. Механизм процессинга 3'-конца вторичных piРНК пока неясен. Вторичная piРНК связывается с белком Ago3 и направляется на разрезание первичного транскрипта-предшественника piРНК, из которого вырезается антисенс-piРНК. Такие антисенс-piРНК могут осуществлять сайленсинг мобильных элементов, а могут направлять образование новых сенс-piРНК. Описанный цикл получил название «пинг-понг»-механизма. Он позволяет усилить сайленсинг за счёт образования новых антисенс-piРНК в ответ на усиление экспрессии мобильных элементов<ref name="Мак" />.

У различных видов piРНК могут образовываться как только при первичном процессинге транскрипта, так и с помощью «пинг-понг»-механизма. Например, у ''C. elegans'' имеются piРНК, но отсутствует механизм «пинг-понг»<ref name="Das">{{cite pmid|18571451}}</ref>. Имеются свидетельства о наличии схожего механизма репрессии мобильных элементов у млекопитающих. По-видимому, он имеется и у данио-рерио<ref name="Мак" />. Признаки наличия механизма «пинг-понг» обнаружены у самых примитивных животных — [[Губки|губок]] и [[Стрекающие|стрекающих]], что свидетельствует в пользу того, что механизм «пинг-понг» появился в самых ранних ветвях [[Metazoa]] и является консервативным механизмом репрессии мобильных элементов<ref>{{статья |автор=Grimson A., Srivastava M., Fahey B., Woodcroft B. J., Chiang H. R., King N., Degnan B.тM., Rokhsar D. S., Bartel D. P. |заглавие=Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals. |ссылка= |язык=англ. |издание=Nature |тип=журнал |год=2008 |том=455 |номер= |страницы=1193—1197 |doi=10.1038/nature07415 |issn=}}</ref><ref name="Мак" />.

По-видимому, у млекопитающих активность piРНК по сайленсингу [[Транспозоны|транспрозонов]] особенно важна в период развития [[Эмбрион|зародыша]], кроме того, и у человека, и у ''C. elegans'' необходимы для сперматогенеза<ref name="Aravin2">{{cite pmid|18922463}}</ref><ref name="Wang">{{cite pmid|18501605}}</ref>. [[Мутации]], разрушающие систему сайленсинга мобильных элементов, опосредованного piРНК, у самцов мышей понижают [[фертильность]] или вовсе приводят к [[Стерильность (размножение)|стерильности]]<ref name="Мак" />.

Отмечен некоторое действие piРНК на некоторые {{нп5|метилтрансферазы||en|Methyltransferase}}, осуществляющие метилирование, необходимое для распознавания и сайленсинга транспозонов, но эта связь ещё плохо понимаема<ref name="Aravin2" />.

=== Эпигенетические эффекты ===
piРНК могут передаваться по материнской линии, и для дрозофилы были показаны [[Эпигенетика|эпигенетические]] эффекты такого материнского [[Наследование (биология)|наследования]]<ref name=Brennecke/>. Активность специфических piРНК в эпигенетических процессах также требует взаимодействия piРНК с белками Piwi, HP1a и другими факторами<ref name=Lin/>.

== Методы изучения ==
Наибольшие достижения в изучении piРНК были достигнуты при помощи особых техник [[Секвенирование|секвенирования]], например, Solexa и 454. С их помощью можно анализировать такие гетерогенные и сложные популяции РНК, как piРНК. Малый размер этих РНК создаёт определённые сложности при их искусственной экспрессии и [[Амплификация (молекулярная биология)|амплификации]], однако для их преодоления разработаны специальные техники на основе [[Полимеразная цепная реакция|полимеразной цепной реакции]]<ref>{{cite pmid|17084816}}</ref><ref>{{cite pmid|18348866}}</ref>.


== Примечания ==
== Примечания ==
Строка 10: Строка 45:


== Литература ==
== Литература ==
* {{книга |автор=Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter |часть= |заглавие=Molecular Biology of the Cell |оригинал= |ссылка= |ответственный= |издание=5 |место= |издательство=Garland Science |год =2008 |том = |страницы= |страниц=1392 |серия= |isbn=0815341059 |тираж= }}
* {{книга |автор=Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. |часть= |заглавие=Molecular Biology of the Cell |оригинал= |ссылка= |ответственный= |издание=5 |место= |издательство=Garland Science |год =2008 |том = |страницы= |страниц=1392 |серия= |isbn=0815341059 |тираж= }}


== См. также ==
== См. также ==

Версия от 16:34, 10 июля 2014

piРНК (англ. piwi-interacting RNA, piRNA, piwiRNA) — наиболее крупный класс малых некодирующих РНК, экспрессируемых в клетках животных[1]; они обнаружены в комплексах с белками семейства Piwi?!, за что и получили своё название. piРНК обычно длиннее микроРНК и малых интерферирующих РНК и имеют длину 26—32 нуклеотида[2], кроме того, в отличие от микроРНК, они не так консервативны[1]. Белки Piwi относятся к большой группе белков Argonaute и экспрессируются почти исключительно в клетках зародышевой линии?!; они необходимы для поддержания стволовых клеток зародышевой линии, сперматогенеза и репрессии мобильных элементов. Комплексы Piwi с piРНК не только задействованы в сайленсинге ретротранспозонов и других генетических элементов на пост-трансляционном уровне, но имеют и эпигенетические эффекты[3].

Остаётся не вполне ясным, как образуются piРНК, однако были предложены потенциальные методы исследования для этого вопроса, и установлено, что некоторые пути их образования отличаются от такового у микроРНК и малых интерферирующих РНК. В то же время некоторые малые некодирующие РНК другой группы, rasiRNA[en], считаются относящимися к piРНК[4][2].

Число обнаруженных piРНК составляет около 50 тысяч у млекопитающих и 13 тысяч у дрозофилы[5], что существенно больше числа известных малых РНК других классов. Поскольку значительная часть piРНК, особенно у млекопитающих, не связана с мобильными элементами, можно предполагать, что они выполняют и другие, ещё не описанные функции[2].

piРНК были открыты в 2006 году пятью исследовательскими группами[2].

Структура

Предполагаемая структура piРНК

piРНК были обнаружены как у позвоночных, так и беспозвоночных, и, хотя особенности биогенеза и типы взаимодействия с мишенями могут отличаться у разных видов, имеется ряд консервативных черт, присущих всем piРНК. У piРНК не обнаружено никаких выраженных мотивов[en] вторичной структуры[6], их длина составляет 26—32 н., и в 80—90 % случаев и у позвоночных, и у беспозвоночных первым нуклеотидом на 5'-конце является уридин (U). У нематоды Caenorhabditis elegans на 5'-конце имеется фосфатная группа, а на 3'-конце имеет место 2'-O-метилирование[7]. Такая модификация была также выявлена у дрозофилы[8], данио-рерио[9], мыши[10] и крысы[9]. Фосфатная группа на 5'-конце имеется и у piРНК млекопитающих[2]. Значение такой модификации пока точно не установлено, но предполагается, что она увеличивает стабильность piРНК[9][2].

У млекопитающих в семейство Piwi входят три белка: Mili, Miwi и Miwi2. Вероятно, у млекопитающих существуют две популяции piРНК: в первую входят РНК длиной 26—28 н., ассоциированные с Mili, а вторую составляют РНК длиной 28—32 н., связанные с Miwi. piРНК, ассоциированных с Miwi2, пока не обнаружено[2].

Локализация

У млекопитающих около 17 % генов piРНК соответствует повторяющимся последовательностям, в том числе мобильным элементам. Стоит заметить, что количество piРНК, соответствующих повторам, меньше, чем доля повторов в геноме. Так, у грызунов эти соотношения равны 17 и ~42 % соответственно. Прочие piHНК кодируются уникальными генами, причём гены, кодирующие piРНК, располагаются в кластерах по всему геному. 90 % таких кластеров располагаются на участках, не содержащих аннотированных генов или повторов, но иногда могут находиться в интронах и экзонах[2]. Так, в то время как у D. melanogaster и позвоночных эти кластеры располагаются в участках, где отсутствуют белоккодирующие гены, у C. elegans гены piРНК располагаются среди белоккодирующих генов[7][4][11]. Каждый такой кластер может кодировать от 10 до многих тысяч piРНК, а его размер может варьировать от 1 до 100 килобаз[12]. Иногда кластеры piРНК располагаются рядом, но кодируются разными цепями; это может указывать на двунаправленную транскрипцию с общего промотора. Обнаружение и краткая аннотация кластеров piРНК в геномах осуществляется при помощи методов биоинформатики, которые всё более и более усложняются[13]. Хотя наличие кластеров генов piРНК высококонсервативно среди различных видов, этого нельзя сказать о последовательностях этих генов[14]. Например, хотя наиболее крупные кластеры piРНК грызунов имеют ортологов у человека, сходства последовательностей в этом случае не наблюдается[2].

Раньше считалось, что у млекопитающих piРНК и белки Piwi имеются только в семенниках[2]. Однако к настоящему времени установлено, что особая система piРНК имеется и в ооцитах млекопитающих[15]. Кроме того, показано, что при мейозе в ооцитах коровы экспрессируется дополнительный ген белков Piwi — PIWI-LIKE 3 (PIWIL3). Несмотря на это, piРНК у млекопитающих, по-видимому, функционируют только у самцов[16]. У беспозвоночных piРНК были выявлены как в клетках мужской, так и женской зародышевой линии[9].

На клеточном уровне piРНК были найдены и в ядре, и в цитоплазме, что свидетельствует о том, что piРНК могут функционировать и там, и там[4], и в связи с этим иметь множественные эффекты[17].

Образование и функции

Сайленсинг мобильных элементов

Уровень экспрессии piРНК меняется в ходе сперматогенеза. Они начинают детектироваться в пахитене (фаза профазы I деления мейоза) при делении диплоидных сперматоцитов мейозом, однако при образовании гаплоидных сперматид содержание piРНК в них резко падает, и в зрелой сперме они, судя по всему, отсутствуют[2].

Механизмы образования piРНК еще не полностью установлены, хотя было предложено несколько возможных механизмов. В случаях, когда гены piРНК попадают в экзоны, piРНК соответствуют только смысловой (сенс-) цепи мРНК, поэтому они образуются только с одной цепи ДНК и, вероятно, являются производными длинных первичных транскриптов-предшественников. Это предположение согласуется с данными о наличии семенникоспецифичных EST[en]* и мРНК, соответствующих локусам piРНК. Кроме того, в составе кластеров piРНК не выявлено развитых вторичных структур, характерных для pri-микроРНК. Поэтому процессинг piРНК, судя по всему, отличается от процессинга микроРНК и малых интерферирующих РНК. Об отсутствии двуцепочечных предшественников, характерных, в частности, для микроРНК, свидетельствует наличие только смысловых последовательностей у некоторых уникальных piРНК[2].

Хотя механизмы процессинга piРНК остаются загадкой, некоторые сведения получены при исследовании гаметогенеза у самцов дрозофилы. У дрозофилы семейство Piwi представлено 3 белками: Piwi, Aubergine (Aub) и Ago3. В ходе первичного процессинга из транскрипта кластера piРНК образуются антисенс-piРНК (первичные piРНК), комплементарные транскриптам мобильных элементов. Они связываются с Piwi или Aub и направляются к транскрипту, с которым комплементарно связываются. Piwi, Aub и Ago3, как и другие белки группы Argonaute, разрезают фосфодиэфирную связь в РНК-мишени, расположенную напротив 10-го и 11-го нуклеотидов гидовой РНК (в данном случае — первичных piРНК). В результате разрыва образуется два фрагмента транскрипта мобильного элемента, у одного из которых 5'-конец отстоит на 10 нуклеотидов от 5'-конца первичной piРНК. Этот фрагмент — вторичная piРНК — в отличие от первичных piРНК некомплементарен транскрипту мобильного элемента и является сенс-piРНК. Поскольку чаще всего у первичных piРНК первый нуклеотид — уридин, то на 10-й позиции с 5'-конца у вторичных piРНК чаще всего располагается адениновый нуклеотид. Механизм процессинга 3'-конца вторичных piРНК пока неясен. Вторичная piРНК связывается с белком Ago3 и направляется на разрезание первичного транскрипта-предшественника piРНК, из которого вырезается антисенс-piРНК. Такие антисенс-piРНК могут осуществлять сайленсинг мобильных элементов, а могут направлять образование новых сенс-piРНК. Описанный цикл получил название «пинг-понг»-механизма. Он позволяет усилить сайленсинг за счёт образования новых антисенс-piРНК в ответ на усиление экспрессии мобильных элементов[2].

У различных видов piРНК могут образовываться как только при первичном процессинге транскрипта, так и с помощью «пинг-понг»-механизма. Например, у C. elegans имеются piРНК, но отсутствует механизм «пинг-понг»[18]. Имеются свидетельства о наличии схожего механизма репрессии мобильных элементов у млекопитающих. По-видимому, он имеется и у данио-рерио[2]. Признаки наличия механизма «пинг-понг» обнаружены у самых примитивных животных — губок и стрекающих, что свидетельствует в пользу того, что механизм «пинг-понг» появился в самых ранних ветвях Metazoa и является консервативным механизмом репрессии мобильных элементов[19][2].

По-видимому, у млекопитающих активность piРНК по сайленсингу транспрозонов особенно важна в период развития зародыша, кроме того, и у человека, и у C. elegans необходимы для сперматогенеза[20][21]. Мутации, разрушающие систему сайленсинга мобильных элементов, опосредованного piРНК, у самцов мышей понижают фертильность или вовсе приводят к стерильности[2].

Отмечен некоторое действие piРНК на некоторые метилтрансферазы[en], осуществляющие метилирование, необходимое для распознавания и сайленсинга транспозонов, но эта связь ещё плохо понимаема[20].

Эпигенетические эффекты

piРНК могут передаваться по материнской линии, и для дрозофилы были показаны эпигенетические эффекты такого материнского наследования[11]. Активность специфических piРНК в эпигенетических процессах также требует взаимодействия piРНК с белками Piwi, HP1a и другими факторами[5].

Методы изучения

Наибольшие достижения в изучении piРНК были достигнуты при помощи особых техник секвенирования, например, Solexa и 454. С их помощью можно анализировать такие гетерогенные и сложные популяции РНК, как piРНК. Малый размер этих РНК создаёт определённые сложности при их искусственной экспрессии и амплификации, однако для их преодоления разработаны специальные техники на основе полимеразной цепной реакции[22][23].

Примечания

  1. 1 2 Seto A. G., Kingston R. E., Lau N. C. The coming of age for Piwi proteins. (англ.) // Molecular cell. — 2007. — Vol. 26, no. 5. — P. 603—609. — doi:10.1016/j.molcel.2007.05.021. — PMID 17560367. [исправить]
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Макарова Ю. А., Крамеров Д. А. Некодирующие РНК (рус.) // Биохимия : журнал. — 2007. — Т. 72, № 11. — С. 1427—1448.
  3. Siomi M. C., Sato K., Pezic D., Aravin A. A. PIWI-interacting small RNAs: the vanguard of genome defence. (англ.) // Nature reviews. Molecular cell biology. — 2011. — Vol. 12, no. 4. — P. 246—258. — doi:10.1038/nrm3089. — PMID 21427766. [исправить]
  4. 1 2 3 Klattenhoff C., Theurkauf W. Biogenesis and germline functions of piRNAs. (англ.) // Development (Cambridge, England). — 2008. — Vol. 135, no. 1. — P. 3—9. — doi:10.1242/dev.006486. — PMID 18032451. [исправить]
  5. 1 2 Haifan Lin, Hang Yin, Ergin Beyret, Seth Findley, Wei Deng. The role of the piRNA pathway in stem cell self-renewal. (англ.) // Developmental Biology : журнал. — 2008. — Т. 319, № 2. — С. 479. — doi:10.1016/j.ydbio.2008.05.048.
  6. Kandhavelu M,* Lammi C, Buccioni M, Dal Ben D, Volpini R, Marucci G (2009). “Existence of snoRNA, microRNA, piRNA characteristics in a novel non-coding RNA: x-ncRNA and its biological implication in Homo sapiens”. Journal of Bioinformatics and Sequence Analysis. 1 (2): 031—040.
  7. 1 2 Ruby J. G., Jan C., Player C., Axtell M. J., Lee W., Nusbaum C., Ge H., Bartel D. P. Large-scale sequencing reveals 21U-RNAs and additional microRNAs and endogenous siRNAs in C. elegans. (англ.) // Cell. — 2006. — Vol. 127, no. 6. — P. 1193—1207. — doi:10.1016/j.cell.2006.10.040. — PMID 17174894. [исправить]
  8. Vagin V. V., Sigova A., Li C., Seitz H., Gvozdev V., Zamore P. D. A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2006. — Vol. 313, no. 5785. — P. 320—324. — doi:10.1126/science.1129333. — PMID 16809489. [исправить]
  9. 1 2 3 4 Houwing S., Kamminga L. M., Berezikov E., Cronembold D., Girard A., van den Elst H., Filippov D. V., Blaser H., Raz E., Moens C. B., Plasterk R. H., Hannon G. J., Draper B. W., Ketting R. F. A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish. (англ.) // Cell. — 2007. — Vol. 129, no. 1. — P. 69—82. — doi:10.1016/j.cell.2007.03.026. — PMID 17418787. [исправить]
  10. Yohei Kirino & Zissimos Mourelatos. Mouse Piwi-interacting RNAs are 2′-O-methylated at their 3′ termini. (англ.) // Nature Structural & Molecular Biology : журнал. — 2007. — Т. 14. — С. 347—348. — doi:10.1038/nsmb1218.
  11. 1 2 Brennecke J., Malone C. D., Aravin A. A., Sachidanandam R., Stark A., Hannon G. J. An epigenetic role for maternally inherited piRNAs in transposon silencing. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2008. — Vol. 322, no. 5906. — P. 1387—1392. — doi:10.1126/science.1165171. — PMID 19039138. [исправить]
  12. O'Donnell K. A., Boeke J. D. Mighty Piwis Defend the Germline against Genome Intruders. (англ.) // Cell : журнал. — 2007. — Т. 129, № 1. — С. 37—44. — doi:10.1016/j.cell.2007.03.028.
  13. Rosenkranz, David; Zischler, Hans (10 January 2012). “proTRAC - a software for probabilistic piRNA cluster detection, visualization and analysis”. BMC Bioinformatics. 13 (5). DOI:10.1186/1471-2105-13-5. Используется устаревший параметр |coauthors= (справка)
  14. Malone C. D., Hannon G. J. Small RNAs as Guardians of the Genome. (англ.) // Cell : журнал. — 2009. — Т. 136, № 4. — С. 656—668. — doi:10.1016/j.cell.2009.01.045.
  15. Tam O. H., Aravin A. A., Stein P., Girard A., Murchison E. P., Cheloufi S., Hodges E., Anger M., Sachidanandam R., Schultz R. M., Hannon G. J. Pseudogene-derived small interfering RNAs regulate gene expression in mouse oocytes. (англ.) // Nature. — 2008. — Vol. 453, no. 7194. — P. 534—538. — doi:10.1038/nature06904. — PMID 18404147. [исправить]
  16. Ricardo Andrйs Zacarias Silva. Piwi proteins in mammals: a cow's perspective. (англ.). — 2011.
  17. Ruvkun G. Tiny RNA: Where do we come from? What are we? Where are we going? // Trends in Plant Science. — 2008. — Т. 13, № 7. — С. 313—316.
  18. Das P. P., Bagijn M. P., Goldstein L. D., Woolford J. R., Lehrbach N. J., Sapetschnig A., Buhecha H. R., Gilchrist M. J., Howe K. L., Stark R., Matthews N., Berezikov E., Ketting R. F., Tavaré S., Miska E. A. Piwi and piRNAs act upstream of an endogenous siRNA pathway to suppress Tc3 transposon mobility in the Caenorhabditis elegans germline. (англ.) // Molecular cell. — 2008. — Vol. 31, no. 1. — P. 79—90. — doi:10.1016/j.molcel.2008.06.003. — PMID 18571451. [исправить]
  19. Grimson A., Srivastava M., Fahey B., Woodcroft B. J., Chiang H. R., King N., Degnan B.тM., Rokhsar D. S., Bartel D. P. Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals. (англ.) // Nature : журнал. — 2008. — Т. 455. — С. 1193—1197. — doi:10.1038/nature07415.
  20. 1 2 Aravin A. A., Sachidanandam R., Bourc'his D., Schaefer C., Pezic D., Toth K. F., Bestor T., Hannon G. J. A piRNA pathway primed by individual transposons is linked to de novo DNA methylation in mice. (англ.) // Molecular cell. — 2008. — Vol. 31, no. 6. — P. 785—799. — doi:10.1016/j.molcel.2008.09.003. — PMID 18922463. [исправить]
  21. Wang G., Reinke V. A C. elegans Piwi, PRG-1, regulates 21U-RNAs during spermatogenesis. (англ.) // Current biology : CB. — 2008. — Vol. 18, no. 12. — P. 861—867. — doi:10.1016/j.cub.2008.05.009. — PMID 18501605. [исправить]
  22. Ro S., Park C., Jin J., Sanders K. M., Yan W. A PCR-based method for detection and quantification of small RNAs. (англ.) // Biochemical and biophysical research communications. — 2006. — Vol. 351, no. 3. — P. 756—763. — doi:10.1016/j.bbrc.2006.10.105. — PMID 17084816. [исправить]
  23. Tang F., Hayashi K., Kaneda M., Lao K., Surani M. A. A sensitive multiplex assay for piRNA expression. (англ.) // Biochemical and biophysical research communications. — 2008. — Vol. 369, no. 4. — P. 1190—1194. — doi:10.1016/j.bbrc.2008.03.035. — PMID 18348866. [исправить]

Литература

  • Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molecular Biology of the Cell. — 5. — Garland Science, 2008. — 1392 с. — ISBN 0815341059.

См. также