Эта статья входит в число хороших статей

Y-РНК

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Y-РНК — малые некодирующие РНК, входят в состав рибонуклеопротеинов, содержащих белки Ro60[en][1] и La[en], которые являются мишенью аутоантител у пациентов, страдающих системной красной волчанкой[2] и синдромом Шегрена[3]. Они также необходимы для репликации ДНК, так как взаимодействуют с хроматином и инициаторными белками[4][5].

Y-РНК впервые были описаны в 1981 году. Они были выявлены в цитоплазме клеток млекопитающих (человека, мыши и мартышки), в связи с чем получили название Y-РНК от cytoplasmic в противовес ядерным РНК (U-РНК от nuclear)[3].

Гены[править | править код]

Y-РНК удалось обнаружить у всех исследованных позвоночных, причём у каждого вида есть от одного до четырёх генов Y-РНК, что свидетельствует о дупликациях и делециях этих генов в ходе эволюции позвоночных. У человека насчитываются четыре вида Y-РНК: hY1, hY3, hY4 и hY5. Ранее в их число также включали hY2, однако впоследствии оказалось, что это не отдельный вид Y-РНК, а продукт разрушения РНК hY1. Все 4 гена Y-РНК у человека образуют единый кластер на 7-й хромосоме в локусе 7q36, у других позвоночных они тоже сгруппированы в кластер. Самой древней среди Y-РНК позвоночных, по-видимому, является Y3[6]. Каждый ген Y-РНК транскрибируется РНК-полимеразой III[en] с собственного промотора. Было показано, что малые некодирующие РНК нематод, известные как sbРНК[en] (от англ. stem-bulge — стебельчато-выпуклые), по структуре и функциям гомологичны Y-РНК позвоночных. При этом у нематоды Caenorhabditis elegans есть и одна собственно Y-РНК — CeY-РНК[7][8]. Малые некодирующие РНК, похожие на Y-РНК позвоночных или sbРНК нематод, были обнаружены у многих других эукариот, например, у протиста Chlamydomonas reinhardtii[6], у насекомых Anopheles gambiae[en] и Bombyx mori, а также ланцетника Branchiostoma floridae[en]. Сходные РНК имеются и у прокариот, в числе которых Deinococcus radiodurans, Salmonella enterica[en] serovar Typhimurium, Mycobacterium smegmatis[en] и другие. Однако эти бактериальные РНК всё же значительно отличаются от Y-РНК позвоночных и не гомологичны им[3].

Структура[править | править код]

Предполагаемая вторичная структура Y-РНК

Молекулы Y-РНК состоят из 80—120 нуклеотидов и имеют характерную шпилечную вторичную структуру. 5'- и 3'-конец каждой молекулы Y-РНК гибридизуются с образованием двух двуцепочечных стеблевых участков, разделённых небольшой внутренней петлёй. Самая длинная петля — у hY1, самая короткая — у hY5. Нуклеотидные последовательности нижнего и верхнего стеблей высококонсервативны, в то время как последовательности внутренней петли сильно различаются у разных Y-РНК. Нижний стебель несёт консервативно выпяченный остаток цитозина, который является ключевым остатком, участвующим в связывании с белком Ro60[6]. Именно петля взаимодействует с разнообразными белками, в числе которых нуклеолин, PTB и ZBP1[en]. Показано, что стабильность и процессинг 3'-концов Y-РНК зависят от экзорибонуклеазы PARN[en][9]. Все четыре человеческие Y-РНК взаимодействуют с антивирусной цитидиндеаминазой[en] APOBEC3G[en], которая также входит в состав рибонуклеопротеинов, содержащих Ro60 и La. Возможно, APOBEC3G осуществляет редактирование Y-РНК. Петлевой домен также задействован во взаимодействии Y-РНК с ядерными хроматиновыми доменами. hY5 взаимодействует с особым набором белков, что указывает на её функции, отличные от прочих Y-РНК — она, например, взаимодействует с рибосомным белком L5[en] и IFIT5. Кроме того, hY5 взаимодействует с 5S рРНК[en], преимущественно в неуложенном виде[3].

Функции[править | править код]

Белок Ro (белый) связывает конец двуцепочечной Y-РНК (красный) и одноцепочечной РНК (синий) (PDB: 1YVP [1])[10]

Первоначально Y-РНК были описаны как некодирующие РНК, связывающиеся с белком Ro60, который является антигеном, распознаваемым антителами из крови пациентов с системной красной волчанкой и синдромом Шегрена. Ro60 у позвоночных консервативен, его гомологи были выявлены у большинства Metazoa, а также в 5 % бактериальных геномов (среди которых геномы D. radiodurans и Salmonella). У всех этих организмов гомологи Ro60 связываются с Y-РНК или подобными им РНК с образованием рибонуклеопротеинов. У позвоночных Ro60 взаимодействует с нижним стеблевым доменом Y-РНК. С частью рибонуклеопротеинов, состоящих из Ro60 и Y-РНК (RoRNP), связывается белок La. Он необходим для правильной терминации транскрипции, опосредованной РНК-полимеразой III, и связывается с 3'-концевым полиуридиновым[en] хвостом новосинтезированных РНК в ядре. Большинство РНК впоследствии утрачивают полиуридиновый хвост, но Y-РНК его сохраняют и продолжают взаимодействовать с La. Он участвует в накоплении Y-РНК в ядре и защищает их от разрушения экзонуклеазами[3].

RoRNP участвуют в контроле качества некодирующих РНК, регулируют стабильность РНК и у некоторых видов участвуют в клеточном ответе на стресс. У многих видов, в числе которых лягушка Xenopus laevis, нематода C. elegans и домовая мышь, Ro60 связывается с такими дефектными некодирующими РНК, как неправильно уложенные 5S рРНК и малая ядерная РНК U2[en]. Нематоды, лишённые гомолога Ro60, жизнеспособны, однако у них нарушается процесс формирования особой личинки, предназначенной для перенесения неблагоприятных условий. Под действием УФ-излучения в клетках мыши и D. radiodurans происходит накопление RoRNP, и в отсутствие Ro60 их устойчивость к УФ-излучению понижается. У D. radiodurans ортолог Ro60 участвует в созревании рРНК, экспрессия которых была индуцирована тепловым стрессом, и разрушении рРНК, вызванном голоданием. Связывание Ro60 с неправильно уложенными некодирующими РНК неспецифично в отношении последовательности, и, по-видимому, этот белок может связываться с самыми разными РНК. По этой причине RoRNP можно рассматривать как внутриклеточные сенсоры стресса. В отсутствие Ro60 уровень Y-РНК в клетках как эукариот, так и прокариот снижался, из чего, вероятно, следует, что Ro60 стабилизирует Y-РНК, с которыми он взаимодействует[3].

Y-РНК участвует в инициации репликации хромосомной ДНК, а именно в формировании новых репликативных вилок. Однако они не нужны для элонгации и репликации и самого процесса удвоения ДНК как такового. Y-РНК вовлечены в инициацию репликации ДНК не сами по себе, а посредством белков. Для участия в инициации репликации ДНК необходим верхний стебель Y-РНК, но не участки связывания с белками Ro60 и La и не сами эти белки. Фактически около половины Y-РНК в человеческих клетках существует вне комплексов с белками Ro60 и La. Нарушение работы Y-РНК с помощью РНК-интерференции блокирует репликацию ДНК и пролиферацию клеток млекопитающих. При этом нормальный фенотип возвращается при введении в такие клетки короткой двуцепочечной РНК, соответствующей верхнему стеблю РНК hY1. Инактивация Y-РНК с помощью морфолиновых олигонуклеотидов в эмбрионах X. laevis и рыбы Danio rerio приводит к остановке развития и гибели на ранних этапах эмбриогенеза. В человеческих опухолях, напротив, наблюдается сверхэкспрессия Y-РНК по сравнению с нормальными тканями. Последовательности верхних стеблей Y-РНК таких организмов, как C. elegans, B. floridae и D. radiodurans, сильно отличаются от последовательностей позвоночных, и эти Y-РНК не могут функционально заменить Y-РНК в клетках человека[3].

Конкретный механизм участия Y-РНК в инициации репликации ДНК неизвестен. Известно, однако, что Y-РНК взаимодействует с несколькими белками, вовлечёнными в инициацию репликации ДНК, в числе которых комплекс распознавания ориджина[en] репликации ORC, а также en[en], Cdt1[en] и DUE-B, но не взаимодействует с белками репликативной вилки. С помощью флуоресцентно-меченных[en] Y-РНК удалось показать, что у человека Y-РНК динамически взаимодействуют с нереплицированным хроматином в G1-фазе клеточного цикла, колокализуясь с несколькими белками инициации репликации ДНК. После того как репликация началась, Y-РНК вытесняются из места начала репликации и не выявляются в местах активного синтеза ДНК[3].

Локализация[править | править код]

У эукариот биогенез Y-РНК начинается в ядре, но в дальнейшем Y-РНК могут выйти в цитоплазму, как другие транскрипты РНК-полимеразы III (тРНК и пре-микроРНК), или же остаться в ядре, как малые ядерные РНК. Экспериментальные данные об относительном распределении Y-РНК между ядром и цитоплазмой противоречивы, возможно, из-за используемых методик. Первоначальные эксперименты с фракционированием клеток[en] показали, что в клетках млекопитающих в культуре и ооцитах X. laevis Y-РНК локализованы преимущественно или даже исключительно в цитоплазме. Далее было показано, что hY1, hY3 и hY4 (и соответствующие мышиные гомологи) находятся в цитоплазме, а hY5 накапливается в ядре. Гибридизация in situ[en] и электронная микроскопия показали, однако, что Y-РНК образуют дискретные кластеры как в ядре, так и в цитоплазме в клетках человека в культуре. В пролиферирующих человеческих клетках hY1, hY3 и hY5 также выявляются на краю ядрышкаоколоядрышковом компартменте). Использование флуоресцентно-меченных Y-РНК показало, что все четыре человеческие Y-РНК динамически связываются с хроматином в переходе из G1-фазы в S-фазу. При этом hY1, hY3 и hY4 локализуются вместе и связаны преимущественно с эухроматином на ранних этапах репликации, а hY5 накапливается в ядрышке. В связи с тем, что hY5 взаимодействует с 5S рРНК и локализуется в ядрышке, можно предположить, что она участвует в биогенезе рибосом. Таким образом, вероятнее всего, Y-РНК присутствуют как в ядре, так и в цитоплазме эукариотических клеток, а их относительное преобладание в одном из компартментов связано с методологией эксперимента[3].

Экспорт Y-РНК из ядра происходит при участии ГТФазы Ran[en], поэтому в роли транспортных рецепторов для Y-РНК, вероятнее всего, выступают экспортины[en]. Нижний стебель Y-РНК очень похож на структуру других РНК-субстратов экспортина-5, и было показано, что экспортин-5[en] связывается с комплексом hY1 и Ran/ГТФ. Делеция нижнего стебля hY1 вызывает нарушения в её экспорте из ядра. Механизм обратного поступления Y-РНК в ядро неизвестен[3].

Было высказано предположение, что в клетках млекопитающих Y-РНК регулирует внутриклеточную локализацию Ro60. Этот белок выявляется и в ядре, и в цитоплазме, и было показано, что Y-РНК может влиять на его локализацию. В клетках мыши связывание Y-РНК с Ro60 приводит к тому, что его сигнал ядерной локализации оказывается скрыт в глубине комплекса, из-за чего RoRNP остаётся в цитоплазме[3].

Внутриклеточная локализация Y-РНК меняется в условиях стресса. У некоторых видов после окислительного стресса или воздействия УФ-излучения и Ro60, и Y-РНК накапливаются в ядре, что согласуется с предполагаемой ролью RoRNP в клеточном ответе на стресс. Возможно также, что в условиях стресса нарушается работа ГТФазы Ran, что приводит к накоплению комплексов в ядре[3].

У млекопитающих Y-РНК могут быть селективно упакованы в вирусные частицы. Подобный эффект был показан для ВИЧ-1 и вируса мышиной лейкемии Moloney. Для упаковки в вирионы не нужен Ro60, и, вероятно, это происходит на ранних этапах биогенеза Y-РНК, когда она ещё не успевает покинуть ядро. Роль Y-РНК в вирусной инфекции неизвестна[3].

С помощью нозерн-блоттинга была проанализирована экспрессия Y-РНК в различных тканях взрослых мышей. Базальный уровень экспрессии mY1 и mY3 наблюдался во всех тканях. Наибольшие уровни Y-РНК наблюдались в мозге, лёгких, сердце, желудке, почках, яичниках, жировой и мышечной тканях, а наименьшие — в печени, кишечнике, селезёнке, коже и крови. При этом паттерн экспрессии Y-РНК был похож на таковой у Ro60[6].

Производные Y-РНК[править | править код]

Секвенирование тотальной РНК, выделенной из эукариотических клеток, показало, что в клетках в состоянии апоптоза накапливается много малых РНК, представляющих собой «обломки» Y-РНК. Тем не менее, эти малые РНК связываются с Ro60 и La, поэтому, видимо, участки связывания с этими белками в нижнем стебле защищены от разрушения. Вероятно, основной мишенью разрушения при апоптозе является верхний стебель, который участвует в инициации репликации ДНК. Производные Y-РНК также выявляются в пролиферирующих клетках, как раковых, так и нераковых, в мозге, сетчатке и других здоровых тканях млекопитающих, а также в разнообразных опухолях. Некоторые из них были первоначально ошибочно идентифицированы как новый тип микроРНК, образующийся при процессинге полноразмерных Y-РНК. Однако впоследствии было показано, что малые РНК образуются из Y-РНК не так, как микроРНК. Более того, производные Y-РНК, в отличие от микроРНК, не участвуют в сайленсинге генов. Было показано, что в крови человека и других животных циркулирует большое количество производных Y-РНК, как в составе везикул, так и в виде свободных рибонуклеопротеинов. Уровень РНК, образованных из 3'- и 5'-концов Y-РНК, а также из 5'-конца тРНК, значительно выше в крови пациентов, страдающих от рака груди, по сравнению со здоровыми людьми, поэтому эти РНК могут иметь диагностическое значение как биомаркеры рака. Полноразмерные Y-РНК и производные Y-РНК были выявлены в везикулах, образованных мышиными иммунными клетками, кроме того, производные Y-РНК составляют весомую долю РНК-компонента экзосом в человеческой сперме. Фрагмент Y-РНК, известный как EV-YF1, в составе экзосом, вероятно, можно использовать для минимизации отрицательных эффектов на сердце и почки, вызванных инфузиями ангиотензина II[en]*[11]. Фрагмент Y-РНК, известный как 5'-YsRNA, возможно, может служить биомаркером синдрома Шегрена[12]. Функции производных Y-РНК неизвестны, но, возможно, они участвуют в передаче сигнала между клетками[3].

Бактериальные Y-РНК[править | править код]

Лучше всего Y-РНК изучены у бактерии Deinococcus radiodurans. У этой бактерии почти все функции Y-РНК так или иначе связаны с гомологом Ro60, известным как Rsr. Например, Y-РНК обеспечивает взаимодействие Rsr с экзорибонуклеазой полинуклеотидфосфорилазой[en]. Y-РНК и Rsr опосредуют клеточный ответ на воздействие УФ-излучения. У Salmonella enterica serovar Typhimurium Y-РНК также тесно взаимодействуют с Rsr. Поиск гомологов Y-РНК Salmonella показал, что Y-РНК очень широко распространены среди бактерий, а также кодируются геномами некоторых бактериофагов. Некоторые бактериальные Y-РНК даже демонстрируют структурное сходство с тРНК. Широкое распространение Y-РНК среди неродственных бактерий говорит о том, что у большинства видов гены Y-РНК были приобретены при помощи горизонтального переноса генов[13].

Клиническое значение[править | править код]

Чрезмерная экспрессия Y-РНК характерна для некоторых человеческих опухолей и необходима для клеточной пролиферации[14]. Кроме того, небольшие фрагменты размером с микроРНК, образующиеся при распаде Y-РНК, могут играть некоторую роль в развитии аутоиммунных заболеваний и некоторых других патологических состояний[15].

Примечания[править | править код]

  1. Hall A. E., Turnbull C., Dalmay T. Y RNAs: recent developments. (англ.) // Biomolecular concepts. — 2013. — Vol. 4, no. 2. — P. 103—110. — DOI:10.1515/bmc-2012-0050. — PMID 25436569. [исправить]
  2. Lerner M. R., Boyle J. A., Hardin J. A., Steitz J. A. Two novel classes of small ribonucleoproteins detected by antibodies associated with lupus erythematosus. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 1981. — Vol. 211, no. 4480. — P. 400—402. — PMID 6164096. [исправить]
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Kowalski M. P., Krude T. Functional roles of non-coding Y RNAs. (англ.) // The International Journal Of Biochemistry & Cell Biology. — 2015. — September (vol. 66). — P. 20—29. — DOI:10.1016/j.biocel.2015.07.003. — PMID 26159929. [исправить]
  4. Christov C. P., Gardiner T. J., Szüts D., Krude T. Functional requirement of noncoding Y RNAs for human chromosomal DNA replication. (англ.) // Molecular and cellular biology. — 2006. — Vol. 26, no. 18. — P. 6993—7004. — DOI:10.1128/MCB.01060-06. — PMID 16943439. [исправить]
  5. Zhang A. T., Langley A. R., Christov C. P., Kheir E., Shafee T., Gardiner T. J., Krude T. Dynamic interaction of Y RNAs with chromatin and initiation proteins during human DNA replication. (англ.) // Journal of cell science. — 2011. — Vol. 124, no. Pt 12. — P. 2058—2069. — DOI:10.1242/jcs.086561. — PMID 21610089. [исправить]
  6. 1 2 3 4 Köhn M., Pazaitis N., Hüttelmaier S. Why YRNAs? About Versatile RNAs and Their Functions. (англ.) // Biomolecules. — 2013. — Vol. 3, no. 1. — P. 143—156. — DOI:10.3390/biom3010143. — PMID 24970161. [исправить]
  7. Van Horn D. J., Eisenberg D., O'Brien C. A., Wolin S. L. Caenorhabditis elegans embryos contain only one major species of Ro RNP. (англ.) // RNA (New York, N.Y.). — 1995. — Vol. 1, no. 3. — P. 293—303. — PMID 7489501. [исправить]
  8. Boria I., Gruber A. R., Tanzer A., Bernhart S. H., Lorenz R., Mueller M. M., Hofacker I. L., Stadler P. F. Nematode sbRNAs: homologs of vertebrate Y RNAs. (англ.) // Journal of molecular evolution. — 2010. — Vol. 70, no. 4. — P. 346—358. — DOI:10.1007/s00239-010-9332-4. — PMID 20349053. [исправить]
  9. Shukla S., Parker R. PARN Modulates Y RNA Stability and Its 3'-End Formation. (англ.) // Molecular And Cellular Biology. — 2017. — 15 October (vol. 37, no. 20). — DOI:10.1128/MCB.00264-17. — PMID 28760775. [исправить]
  10. Stein A. J., Fuchs G., Fu C., Wolin S. L., Reinisch K. M. Structural insights into RNA quality control: the Ro autoantigen binds misfolded RNAs via its central cavity. (англ.) // Cell. — 2005. — Vol. 121, no. 4. — P. 529—539. — DOI:10.1016/j.cell.2005.03.009. — PMID 15907467. [исправить]
  11. Cambier L., Giani J. F., Liu W., Ijichi T., Echavez A. K., Valle J., Marbán E. Angiotensin II-Induced End-Organ Damage in Mice Is Attenuated by Human Exosomes and by an Exosomal Y RNA Fragment. (англ.) // Hypertension (Dallas, Tex. : 1979). — 2018. — August (vol. 72, no. 2). — P. 370—380. — DOI:10.1161/HYPERTENSIONAHA.118.11239. — PMID 29866742. [исправить]
  12. Kabeerdoss J., Sandhya P., Danda D. Y RNA derived small RNAs in Sjögren's syndrome: Candidate biomarkers? (англ.) // International Journal Of Rheumatic Diseases. — 2017. — November (vol. 20, no. 11). — P. 1763—1766. — DOI:10.1111/1756-185X.13229. — PMID 29152879. [исправить]
  13. Sim S., Wolin S. L. Bacterial Y RNAs: Gates, Tethers, and tRNA Mimics. (англ.) // Microbiology Spectrum. — 2018. — July (vol. 6, no. 4). — DOI:10.1128/microbiolspec.RWR-0023-2018. — PMID 30006996. [исправить]
  14. Christov C. P., Trivier E., Krude T. Noncoding human Y RNAs are overexpressed in tumours and required for cell proliferation. (англ.) // British journal of cancer. — 2008. — Vol. 98, no. 5. — P. 981—988. — DOI:10.1038/sj.bjc.6604254. — PMID 18283318. [исправить]
  15. Verhagen A. P., Pruijn G. J. Are the Ro RNP-associated Y RNAs concealing microRNAs? Y RNA-derived miRNAs may be involved in autoimmunity. (англ.) // BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology. — 2011. — Vol. 33, no. 9. — P. 674—682. — DOI:10.1002/bies.201100048. — PMID 21735459. [исправить]

Ссылки[править | править код]