Эта статья входит в число добротных статей

IRES

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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].

К настоящему моменту описано более 80 клеточных (у дрожжей, растений и других высших эукариот) и 56 вирусных IRES. IRES были обнаружены у представителей следующих семейств вирусов: пикорнавирусы, флавивирусы, дицистровирусы[en] и лентивирусы[2]. Кроме того, недавно была показана возможность трансляции, зависимой от IRES вируса эукариот, у бактерий[3].

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][4] и Э. Виммера[en][5] 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[6].

Структура[править | править вики-текст]

Строение элемента IRES вируса гепатита С

Для всех IRES пикорнавирусов характерно наличие мотива GRNA в центральном домене, который обеспечивает формирование четырёхпетельной конформации, а также небольшой пиримидин-обогащённый участок, который расположен на 20—25 нуклеотидов выше кодона AUG. IRES флавивирусов содержит 4 домена, обозначаемых I—IV, причём у IRES вируса гепатита С (HCV), типового примера IRES у данной группы вирусов, последовательности, необходимые для активности IRES, находятся между доменами II, III и IV и захватывают первые 30 нуклеотидов открытой рамки считывания, начинающейся со старт-кодона AUG. Вторичная структура IRES HCV была тщательно изучена, в частности, домен II представляет собой шпильку длиной 75 нуклеотидов с тремя внутренними и одной терминальной петлёй, однако наиболее сложная вторичная структура наблюдается у домена III и включает несколько спиралей и шпилек. Вторичная и третичная структура IRES дицистровирусов довольно консервативна и включает 3 различных домена, каждый из которых содержит псевдоузел. Среди лентивирусов (в число которых входит и вирус иммунодефицита человека) IRES были выявлены почти у всех членов этого семейства, причём IRES у них располагаются не только в 5'-UTR, но и в кодирующей области[en], где они участвуют в экспрессии некоторых изоформ основного структурного полипротеина Gag[en][2].

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[7].

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[8]. К ноябрю 2005 года было известно около 50 содержащих IRES вирусов и около 73 мРНК[9].

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[10].

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[7].

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[7].

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[7].

Вирусные IRES[править | править вики-текст]

Геном полиовируса, содержащий IRES

У многих вирусов инициация трансляции происходит по кэп-независимому механизму и осуществляется через элементы IRES, локализованные в 5'-UTR[11]. Например, так происходит у ВИЧ, вирусов гепатита А и С[12]. Такой механизм инициации трансляции удобен тем, что в его случае нет необходимости в сборке пре-инициаторного белкового комплекса, и вирус может быстро размножаться[13].

Многие вирусные мРНК имеют на своём 5'-конце ковалентно связанный белок (VPg[en]), поэтому использование кэп-зависимой инициации для них исключено. IRES вируса гепатита С образует комплекс с субъединицей рибосомы 40S и рекрутирует фактор трансляции eIF3 клетки-хозяина[7]. IRES многих пикорнавирусов не связывают 40S напрямую, а делают это через фактор инициации 4G, высокоаффинный сайт связывания которого находится в IRES[14].

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[15].

Вирусные IRES могут выступать мишенями многих противовирусных препаратов. Например, IRES вируса гепатита С, ввиду своей консервативности среди встречающихся в клинике образцов, может быть мишенями лекарств, блокирующих трансляцию у этого вируса[16]. Показано, что ингибитор янускиназы 2[en] AZD1480 способен подавлять размножение вируса гепатита А, блокируя его IRES-опосредованную трансляцию[17]. Апигенин[en] — препарат, применяющийся при лечении ящура — подавляет развитие вирусной инфекции, нарушая опосредованную IRES трансляцию у вируса ящура[18]. Особый интерес представляют онколитические вирусы[en], жизненный цикл которых зависит от IRES, в связи с их возможным использованием в противораковой терапии[19].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Barrett et. al., 2013, p. 14
  2. 1 2 Balvay L., Soto Rifo R., Ricci E. P., Decimo D., Ohlmann T. Structural and functional diversity of viral IRESes. (англ.) // Biochimica et biophysica acta. — 2009. — Vol. 1789. — № 9-10. — P. 542–557. — DOI:10.1016/j.bbagrm.2009.07.005 — PMID 19632368. исправить
  3. Colussi T. M., Costantino D. A., Zhu J., Donohue J. P., Korostelev A. A., Jaafar Z. A., Plank T. D., Noller H. F., Kieft J. S. Initiation of translation in bacteria by a structured eukaryotic IRES RNA. (англ.) // Nature. — 2015. — Vol. 519. — № 7541. — P. 110–113. — DOI:10.1038/nature14219 — PMID 25652826. исправить
  4. Pelletier J., Sonenberg N. Internal initiation of translation of eukaryotic mRNA directed by a sequence derived from poliovirus RNA. (англ.) // Nature. — 1988. — Vol. 334. — № 6180. — P. 320–325. — DOI:10.1038/334320a0 — PMID 2839775. исправить
  5. Jang S. K., Kräusslich H. G., Nicklin M. J., Duke G. M., Palmenberg A. C., Wimmer E. A segment of the 5' nontranslated region of encephalomyocarditis virus RNA directs internal entry of ribosomes during in vitro translation. (англ.) // Journal of virology. — 1988. — Vol. 62. — № 8. — P. 2636–2643. — PMID 2839690. исправить
  6. Kozak M. A second look at cellular mRNA sequences said to function as internal ribosome entry sites. (англ.) // Nucleic acids research. — 2005. — Vol. 33. — № 20. — P. 6593–6602. — DOI:10.1093/nar/gki958 — PMID 16314320. исправить
  7. 1 2 3 4 5 Barrett et. al., 2013, p. 15
  8. Fitzgerald K. D., Semler B. L. Bridging IRES elements in mRNAs to the eukaryotic translation apparatus. (англ.) // Biochimica et biophysica acta. — 2009. — Vol. 1789. — № 9-10. — P. 518–528. — DOI:10.1016/j.bbagrm.2009.07.004 — PMID 19631772. исправить
  9. IRESite: Page home.
  10. Barrett et. al., 2013, p. 14—15
  11. Thompson S. R. Tricks an IRES uses to enslave ribosomes. (англ.) // Trends in microbiology. — 2012. — Vol. 20. — № 11. — P. 558–566. — DOI:10.1016/j.tim.2012.08.002 — PMID 22944245. исправить
  12. Kieft J. S. Viral IRES RNA structures and ribosome interactions. (англ.) // Trends in biochemical sciences. — 2008. — Vol. 33. — № 6. — P. 274–283. — DOI:10.1016/j.tibs.2008.04.007 — PMID 18468443. исправить
  13. Brown T.A. Genomes 3. — New York, New York: Garland Science Publishing, 2007. — P. 397. — ISBN 0 8153 4138 5.
  14. Hellen C. U., Sarnow P. Internal ribosome entry sites in eukaryotic mRNA molecules. (англ.) // Genes & development. — 2001. — Vol. 15. — № 13. — P. 1593–1612. — DOI:10.1101/gad.891101 — PMID 11445534. исправить
  15. Chatterjee S., Pal J. K. Role of 5'- and 3'-untranslated regions of mRNAs in human diseases. (англ.) // Biology of the cell / under the auspices of the European Cell Biology Organization. — 2009. — Vol. 101. — № 5. — P. 251–262. — DOI:10.1042/BC20080104 — PMID 19275763. исправить
  16. Dibrov S. M., Parsons J., Carnevali M., Zhou S., Rynearson K. D., Ding K., Garcia Sega E., Brunn N. D., Boerneke M. A., Castaldi M. P., Hermann T. Hepatitis C virus translation inhibitors targeting the internal ribosomal entry site. (англ.) // Journal of medicinal chemistry. — 2014. — Vol. 57. — № 5. — P. 1694–1707. — DOI:10.1021/jm401312n — PMID 24138284. исправить
  17. Jiang X., Kanda T., Nakamoto S., Saito K., Nakamura M., Wu S., Haga Y., Sasaki R., Sakamoto N., Shirasawa H., Okamoto H., Yokosuka O. The JAK2 inhibitor AZD1480 inhibits hepatitis A virus replication in Huh7 cells. (англ.) // Biochemical and biophysical research communications. — 2015. — Vol. 458. — № 4. — P. 908–912. — DOI:10.1016/j.bbrc.2015.02.058 — PMID 25704089. исправить
  18. Qian S., Fan W., Qian P., Zhang D., Wei Y., Chen H., Li X. Apigenin restricts FMDV infection and inhibits viral IRES driven translational activity. (англ.) // Viruses. — 2015. — Vol. 7. — № 4. — P. 1613–1626. — DOI:10.3390/v7041613 — PMID 25835532. исправить
  19. Buijs P. R., Verhagen J. H., van Eijck C. H., van den Hoogen B. G. Oncolytic viruses: From bench to bedside with a focus on safety. (англ.) // Human vaccines & immunotherapeutics. — 2015. — P. 0. — DOI:10.1080/21645515.2015.1037058 — PMID 25996182. исправить

Литература[править | править вики-текст]