Процесинг РНК

Процесинг пре-мРНК до зрілої мРНК відбувається безпосередньо в складі РНК-полімеразного комплексу в ядрі. Синтез мРНК виконує РНК-полімераза II. До її C-кінцевого домену приєднуються фактори, що діють на різних стадіях дозрівання транскрипту. Оскільки процесинг відбувається безпосередньо під час синтезу молекули РНК, а сплайсинг відбувається одразу після синтезу сплайс-сайтів, то пре-мРНК транскрипт для більшості генів багатоклітинних організмів можна назвати умовною теоретичною молекулою, яка не існує як така in vivo^[4]. Однак можливі варіанти сплайсингу поза РНК-полімеразним комплексом^[5].

Загалом процесинг мРНК ділиться на зміну 3'- та 5'-кінцевих ділянок молекули (кепування та поліаденілування, відповідно) та сплайсинг (вирізання частин молекули РНК — інтронів). Модифікації 3'- та 5'-кінцевих ділянок молекули РНК, не лише мРНК, дуже важливі для стабільності РНК під час перебування в ядрі. «Відкриті» кінці РНК стають мішенями нуклеаз, таких як комплекс екзосома. Тому молекули РНК, які перебувають певний час у ядрі мають зміни на своїх 3'- та 5'-кінцевих ділянках.^[6]

Кепування

Кепування — це додавання кепу до 5'-кінця^[en] пре-мРНК, що відбувається в декілька стадій за допомогою ферменту, що приєднує кеп (англ. mRNA-capping enzyme), та гуаніл-N7-метилтрансферази. Унаслідок цих реакцій на 5'-кінці мРНК формуються один чи два модифіковані нуклеотиди (найчастіше — метил-гуанідин), з'єднані з рештою мРНК незвичайним 5'-5' трифосфатним зв'язком.

Кепування виконує такі функції:

• захист мРНК від деградації нуклеазами;
• участь у подальшому процесингу, сплайсингу;
• експорт мРНК у цитоплазму;
• участь у трансляції.

Сплайсинг

Сплайсинг — це механізм, завдяки якому вирізаються інтрони — некодуючі ділянки пре-мРНК, тобто послідовності, які потім не будуть використані як матриця для біосинтезу білків. Зріла мРНК втрачає інтрони, залишаючи у своєму складі лише екзони. Сплайсинг відбувається за участі сплайсосоми, що містить малі ядерні РНК. У багатьох випадках пре-мРНК ще продовжує синтезуватися, тоді як інтрони вже вирізаються. Інтрон, що вирізається, має форму ласо (англ. lariat). Швидкість сплайсингу в евкаріот досить велика: у 10 % випадків у дріжджів сплайсосома може відрізати інтрон, коли полімераза знаходиться на відстані лише у 26-36 нуклеотидів, а 50 % сплайсингу завершується за 1,4 сек. після завершення синтезу 3'-кінцевого сплайс-сайту^[7].

Альтернативний сплайсинг

У багатьох еукаріотів кількість білків, що можуть формуватись у клітинах, значно перевищує кількість генів, закодованих у ядрі. Так, згідно з результатами проєкту ENCODE (Енциклопедія елементів ДНК) 2012 року^[9], у людини наявний 21 061 ген, що кодує білки, тоді як самих білків у клітинах людини — від 250 000 до мільйона. Різноманіття білків порівняно з кількістю генів досягається також завдяки явищу альтернативного сплайсингу.

При альтернативному сплайсингу з молекули пре-мРНК вирізаються різні комбінації інтронів, а перекомбіновані екзони зшиваються та формують різні зрілі мРНК. Таким чином, з одного гена можна отримати одну пре-мРНК, але багато видів зрілої мРНК і, відповідно, багато різних білків.

Гени пивних дріжджів Saccharomyces cerevisiae містять невелику кількість коротких інтронів, а в інших одноклітинних еукаріот, наприклад, трипаносом, найчастіше їх зовсім немає. Тому альтернативний сплайсинг в одноклітинних ядерних відбувається рідко^[4].

Натомість у багатоклітинних еукаріотів альтернативний сплайсинг — дуже поширене явище. Так, у людини приблизно 95 % пре-мРНК підлягають цьому процесу^[10]. Варіанти мРНК, що утворилися з однієї пре-мРНК, називають сплайс-варіантами або мРНК-ізоформами^[11], і часто вони бувають тканинно-специфічними (тобто один сплайс-варіант існує в одній тканині, другий — в іншій). У плодової мухи D. melanogaster альтернативний сплайсинг спричинює детермінацію статі, а один ген Dscam (англ. Down syndrome cell adhesion molecule) кодує понад 38 000 різних варіантів мРНК і, відповідно, білків (кількість, що більша за число генів у цього виду мух)^[4].

Основними регуляторам вибору варіантів сплайсингу є сила сплайс-сайту, модифікації гістонових хвостів (див. ілюстрацію «Схематичне зображення котранскрипційного процесингу пре-мРНК до зрілої мРНК») та позиція нуклеосоми^[4], взаємодія РНК з різними РНК-зв'язуючими білками тощо^[12]. Сила сплайс-сайту відповідає частоті впізнавання цього сайту сплайсосомою і включення даного екзону у всіх синтезованих мРНК — це так званий «конститутивний сплайсинг»^[12]. У регуляції сплайсингу беруть участь білки регулятори сплайсингу (англ. SR proteins), такі як NOVA1^[13] та PTBP1 (англ. Polypyrimidine tract-binding protein 1)^[14] та гетерогенні ядерні рибонуклеопротеїни (гяРНП, англ. hnRNP)^[11]

Окрім участі альтернативного сплайсингу в нормальній життєдіяльності організму, це явище може призводити до хвороб.^[15]

Проте не всі транскрипти, згенеровані альтернативним сплайсингом, можуть кодувати білки чи виконувати інші функції.^[12]

Поліаденілування

Після відрізання (англ. cleavage) транскрипту від РНК-полімеразного комплексу до молекули пре-мРНК із 3'-кінця^[en] додається хвіст із багатьох залишків аденіну, звідки походить і назва реакції. Сигнал поліаденілування (поліА- чи polyA-сигнал, іноді polyA-сайт), так само як і стартовий сигнал, закодований у гені, і, відповідно, зчитується РНК полімеразою II у пре-мРНК. PolyA-сигнал має 2 компоненти: послідовність із 6 нуклеотидів AAУАAA (Т у ДНК замінюється на У в РНК), та У- або Г/У-збагачена послідовність, що розміщується на відстані 20 нуклеотидів від першого сигналу. Білки CPSF (англ. Cleavage-Polyadenylation Specificity Factor) та CstF (англ. Cleavage stimulation Factor) розпізнають ці сигнали^[16].

PolyA-полімераза синтезує хвіст довжиною в 100—200 аденінових нуклеотидів. Довжина polyA-хвоста варіює між різними видами. Так, у людини в середньому додається 250—300 аденінів, а у дріжджів — 70-80^[16].

Поліаденілування відбувається одразу після розщеплення молекули РНК (червоні ножиці на схемі «Котранскрипційний процесинг пре-мРНК до зрілої мРНК»), тому сигнал для поліаденілування ще називають сигналом для розщеплення та поліаденілування (англ. cleavage and polyadenylation)^[17].

Поліаденілування виконує такі функції^[17]:

• Експортування мРНК з ядра;
• Стабільність мРНК, включаючи захист мРНК від деградації нуклеазами;
• Участь у трансляції;
• Посттранскрипційна регуляція^[en] експресії генів. Довжина polyA хвоста має важливе значення для контролю кількості білків, що будуть синтезовані із цієї РНК. Також у 3'-нетрансльованій ділянці містяться сайти розпізнавання молекулами РНК інтерференційного механізму, такими як мікроРНК.

Альтернативне поліаденілування

Наприкінці першого десятиріччя XXI ст. стало можливим робити секвенування РНК^[en] (англ. RNA-Seq) цілих транскриптомів. Це дало можливість встановити, що багато генів людини мають більше одного polyA-сигналу, що призводить до формування різних 3'-кінців однієї пре-мРНК^[16].

До 2011 року стало зрозуміло, що багато білок-кодуючих генів мають не один, а декілька сайтів поліаденілування, між якими відбувається вибір під час синтезу мРНК. У людини 50 % генів можуть кодувати різні транскрипти завдяки альтернативному поліаденілуванню^[18].

У деяких випадках альтернативне поліаденілування призводить до зміни амінокислотної послідовності білків, тоді як в інших варіації виникають в 3'-некодуючій ділянці мРНК, а кодуюча послідовність залишається незмінною^[18]. При виборі сайту поліаденілування може трапитись вкорочення 3'-нетрансльованої ділянки молекули мРНК, що призведе до втрати регуляторних елементів для взаємодії з мікроРНК^[19], тоді, найімовірніше, мРНК буде менше пригнічуватися, і відповідно, з неї синтезуватиметься більше білків^[18].

Вибір polyA-сайту залежить від багатьох умов, таких як ріст клітини, її розвиток та диференціація, а також патологічні процеси, зокрема розвиток пухлин^[18].

Прикладом альтернативного поліаденілування є ген важкого ланцюга імуноглобуліну IgM, білок якого проходить зміну від мембраннозв'язаної до вільної форми. Така зміна є результатом вибору одного із двох polyA-сайтів^[18].

Альтернативне поліаденілування часто трапляється під час утворення нейронів, де за рахунок такого процесу сотні генів мають більші 3' нетрансльовані ділянки — такі гени отримали назву подовжених (англ. extended gene). Основним білком, який призводить до формування довшого 3'-кінця у нейронів — РНК-зв'язуючий білок Elav (англ. embryonic lethal abnormal visual). У плодової мухи його активність залежить від промоторної ділянки генів. У подовжених генів РНК-полімераза II — фермент, що синтезує РНК — затримується на довший час на початкових стадіях транскрипції в порівнянні з іншими генами^[20][21].

Цікавим є те, що альтернативне поліаденілування може впливати на розміщення білку, що зчитується з даної мРНК у клітині, хоча при цьому не змінюється просторове розміщення самої мРНК у цитоплазмі. Так мРНК CD47 у клітинних лініях людини може мати два варіанти 3'-нетрансльованої ділянки: коротшу і довшу. Білки CD47, які транслювались із мРНК з довшою 3'-нетрансльованою ділянкою, розміщувалися здебільшого біля поверхні клітин, а CD47-протеїни, які було синтезовано з коротшої форми мРНК, були знайдені в ендоплазматичному ретикулумі^[22].

Відсутність поліаденілування, полі-A(-)

мРНК гістонів типово не підлягають поліаденілуванню у всіх організмів, натомість мають специфічні структури на 3'-кінці (див. п «Процесинг мРНК гістонів»), які захищають їх від деградації нуклеазами. Але крім мРНК гістонів у клітинних лініях H9 та HeLa було знайдено мРНК, які можуть у деяких випадках не мати полі-A хвосту, такі як мРНК znf460 та sesn3^[23]

Регуляція процесингу мРНК

Паузи, які робить РНК-полімераза II, модифікації її C-кінцевого домену (фосфорилювання), метилювання ДНК, позиція нуклеосоми, модифікації гістонових хвостів (їх метилювання^[en], ацетилювання та деацетилювання^[en]), формування вторинних структур синтезованої РНК^[24], модифікації нуклеотидів та редагування РНК — всі ці фактори, що, по-перше, можуть впливати один на одного, а по-друге регулюють процесинг, призводять до наявності чи відсутності кепу, вибору сайтів сплайсингу та polyA-сайтів для альтернативного сплайсингу та поліаденілування, відповідно. Таким чином ці зміни призводять до різноманіття мРНК та встановлюють долю транскрипту: чи буде мРНК одразу руйнуватися екзосомним комплексом у ядрі, чи буде експортована до цитоплазми і чи зможуть мікроРНК взаємодіяти з нею, пригнічуючи біосинтез білків та/або деградувати її в цитоплазмі^[2].

Процесинг мРНК гістонів

Синтез і дозрівання мРНК гістонів, що складають нуклеосому (H2A, H2B, H3 та H4) і лінкерного гістону H1 відрізняється від процесингу інших еукаріотичних мРНК. По-перше синтез мРНК цих гістонів відбувається у строгій залежності від клітинного циклу — гени гістнонів експресуються на початку S-фази. При чому по завершенню S-фази або при припиненні з різних причин реплікації ДНК, мРНК цих гістонів швидко руйнується комплексом екзосоми^[25].

Структура мРНК зазначених п'яти гістонів відрізняється від мРНК інших генів — це єдині відомі мРНК еукаріот, у яких стабільно відсутній polyA-хвіст, тобто у них не відбувається поліаденілування. Натомість мРНК гістонів мають структуру стебло-петля, яка формується 6 парами нуклеотидів та 4 нуклеотидами у самій петлі. Також особливістю структури мРНК гістонів є відсутність інтронів та невеликі розміри 5'- та 3'-нетрансльованих ділянок, хоча це може бути притаманним і іншим еукаріотичним генам^[25].

Оскільки структура мРНК гістонів відрізняється від мРНК інших генів, процесинг їх також має особливості. Сплайсинг мРНК гістонів не відбувається за відсутності інтронів. Процесинг 3'-нетрансльованої ділянки включає в себе низку нестандартних ферментів та рибонуклеопротеїнових комплексів, таких як U7 мяРНК, ZFP100^[26], LSM11-LSM10^[27][28]. Відрізання мРНК гістону під час транскрипції відбувається у місці між структурою стебло-петля і послідовністю, яка знаходиться на відстані 15 нуклеотидів далі і має назву HDE (англ. histone downstream element)^[25].

Цікавим є те, що варіанти гістонів, такі як H3.3, macro-H2A, H2A.Z та H1.0 синтезуються та процесуються як інші мРНК. Тобто їх транскрипція йде не лише в S-фазу, а впродовж всього циклу клітини, та в них відбувається поліаденілування^[25].

Процес біосинтезу білків має необхідну ланку — молекулу транспортної РНК (тРНК), яка повинна розпізнати триплет — послідовність із трьох нуклеотидів матричної РНК (мРНК), що завантажена на рибосому, і відповідно до такого триплетного коду донести амінокислоту до поліпептидного ланцюга білку, що синтезується.

Але молекула тРНК не синтезується в готовому вигляді — вона транскрибується РНК-полімеразою III^[en] з ДНК матриці у вигляді пре-тРНК і проходить стадію дозрівання, у результаті якої набуває третинної структури L-подібної форми, завдовжки у 74-95 нуклеотидів (найчастіше 76). З одного кінця вона містить антикодонову послідовність, що буде комплементарною кодону мРНК, з іншого — амінокислоту (акцепторне стебло)^[29].

Процесинг тРНК включає п'ять етапів^[30]:

1. Від'єднання 5'-послідовності (англ. 5′ leader) РНКазою P^[en] за участі рибонуклеопротеїнового комплексу.
2. Від'єднання 3'-хвоста (англ. 3′ trailer) комбінацією з декількох екзо- та ендонуклеаз.
3. Додавання послідовності трьох нуклеотидів CCA (цитозин-цитозин-аденін) до 3' кінця молекули, які будуть неспареними і до яких буде приєднуватися амінокислота.
4. Вирізання інтрону (сплайсинг), яке відбувається в більшості еукаріотів та у деяких тРНК архей.
5. Модифікації тРНК в різних місцях включаючи редагування РНК, метилювання нуклеотидів.

5'-кінець пре-тРНК розрізається РНКазою P, а 3'-послідовність процесується тРНКазою Z (англ. tRNase Z) та іншими ферментами^[31].

У людини трапляються пре-тРНК як з інтроном, так і без нього. Ендонуклеаза, яка здійснює сплайсинг пре-тРНК, має чотири компоненти, що формують комплекс TSEN (англ. tRNA splicing endonuclease, TSEN, SEN)^[32]: каталітичні субодиниці TSEN2 та TSEN34 й структурні субодиниці TSEN15 та TSEN54^[33]. Ці субодиниці виникли внаслідок кількох випадків дуплікації генів у ході еволюції ядерних, із подальшою спеціалізацією кожної субодиниці. Sen2 та Sen34 субодиниці мають найбільший рівень гомології з нуклеазами архей^[34].

Процесинг тРНК сильно відрізняється у різних організмів — для кожного із п'яти етапів у ході еволюції виникли різні сценарії: декілька можливостей формування 3'- та 5'-кінців, два різних шляхи сплайсингу тРНК, варіації у додаванні CCA і механізмах контролю якості тРНК. Додатковими варіаціями є декілька шляхів експорту тРНК із цитоплазми в ядро, також був відкритий механізм імпорту тРНК в мітохондрії^[30]. У мітохондріях всіх організмів відбувається власна трансляція, але мітохондріальна ДНК містить не всі гени тРНК, отже деякі з них повинні доставлятись спочатку з ядра в цитоплазму, а далі із цитоплазми в мітохондрію.

У більшості організмів основним етапом вирізання інтрону тРНК є розпізнавання специфічної структури BHB (англ. bulge-helix-bulge), яка є маркером інтрон-екзонного переходу і складається з таких частин: коротка послідовність неспарених нуклеотидів, потім спіраль, сформована спареними нуклеотидами, за нею — знову коротка послідовність неспарених нуклеотидів (див. ілюстрацію).

У червоних водоростей Cyanidioschyzon merolae^[en] є гени тРНК, що кодують транскрипт із декількома інтронами, або такими інтронами, де 3'-частина кодуючої послідовності тРНК лежить в 5'-частині гена. Для процесингу таких пре-тРНК кінці молекули повинні бути зшиті у кільце, і вже потім відбуається сплайсинг^[36].

Молекули рРНК формують коровий комплекс (серцевину) рибосоми. Утворення більшості варіантів пре-рРНК відбувається в ядерцях, де міститься кілька тандемних повторів генів рРНК. РНК-полімераза I^[en] синтезує з матриці ДНК довгий продукт, поліцистронну РНК (англ. polycistronic RNA), пре-рРНК. Потім вона розрізається на окремі молекули рРНК. На відміну від інших типів рРНК, 5S рРНК синтезуються в ядрі поза ядерцем і цей процес каталізує РНК-полімераза III^[en][37][38].

Процесинг рРНК дуже консервативний у більшості організмів і складається з таких стадій^[39]:

• транскрипції пре-рРНК у вигляді довгої поліцистронної РНК, та додаткових окремих рРНК;
• модифікації ділянок пре-рРНК;
• розрізання пре-рРНК до зрілих рРНК;
• формування комплексу з рибосомними білками;

• в еукаріотів додаткові стадії включають у себе імпорт рибосомних білків із цитоплазми в ядро та подальший експорт рибосомних субодиниць у цитоплазму.

Модифікація та сплайсинг пре-рРНК відбувається завдяки одному з типів некодуючих РНК — малим ядерцевим РНК^[en], мяцРНК (англ. snoRNA), що взаємодіють із малими ядерцевими білками (англ. snoRNP) в еукаріотів та малими рибонуклеопротеїнами (англ. sRNP) в архей. Потім 5,8^[en] та 28S рРНК^[en] взаємодіють із комплексом 5S рРНК та L5 рибосомним білком та іншими рибосомними білками і формують 60S субодиницю (у еукаріот), а 18S рРНК формує 40S субодиницю рибосоми. 40S та 60S рибосомні субодиниці експортуються до цитоплазми, де вони з'єднуються з мРНК і формують рибосому^[37].

Процесинг 5S рРНК у дріжджів відбувається за допомогою екзонуклеаз Rex1p, Rex2p, й Rex3p та Ro білка. 5S рРНК може бути поліаденільованна та деградована комплексом екзосоми^[40].

В архей, які найчастіше мають одну копію кожного гена, можуть бути більше ніж вісім копій генів рРНК. Гени рРНК транскрибуються поліцистронно в одному опероні, але у деяких організмів, таких як H. cutirubrum гени рРНК перемішані з генами тРНК в одному опероні. Тоді як у Thermoproteus tenax^[en] та Desulfurococcus mobilis^[en] 5S рРНК ген не закодований в одному опероні з іншими рРНК — він повинен бути транскрибований незалежно^[41].

Видалення інтронів в архей відбувається завдяки нуклеазам, які специфічні до цього домену організмів і основним моментом є розпізнавання мотиву, що є маркером екзон-інтронного переходу BHB (англ. bulge-helix-bulge) як і у сплайсингу тРНК (див ілюстрацію «BHB мотив сплайсингу тРНК»)^[41].

Некодуючі РНК, нкРНК — це функціональні РНК молекули, нуклеотидна послідовність яких не переводиться в амінокислотну послідовність білків, звідси і назва — вони не кодують білки. Функції нкРНК полягають в регуляції експресії генів на різних рівнях (транскрипція, сплайсинг, мРНК деградація, трансляція), вплив на структуру хроматину. Некодуючі РНК бувають короткими або малими (англ. small ncRNA), такими як мікроРНК чи піРНК, та довгими нкРНК, що більше за 200 нуклеотидів у довжину, наприклад Xist, що бере участь в інактивації X-хромосоми^[42].

Некодуючі РНК, що беруть участь у РНК інтерференції

РНК-інтерференція, РНКі, (RNA interference, RNAi) — механізм, що регулює експресію генів в еукаріотів шляхом деградації цілевої мРНК та/або приглушення трансляції. У РНКі беруть участь дволанцюгові малі некодуючі РНК, що можуть походити з генів, некодуючих частин ДНК, антисенс РНК чи інвертованих повторів^[en]. Також малі нкРНК можуть потрапляти в клітину екзогенно, з вірусів, призводячи до клітинної загибелі шляхом апоптозу — способу позбавитися заражених клітин в організмі^[47]. Такі короткі некодуючі РНК синтезуються у вигляді прекурсорів (попередників), які повинні пройти стадію процесингу для того, щоб сформувати зрілі, функціональні РНК, які будуть взаємодіяти з РНК-індукованим комплексом заглушення (RISC англ. , RNA induced silencing complex) і впливати на експресію цільових генів.

Процесинг мікроРНК

МікроРНК походять із частин ДНК, які можуть кодувати власне лише мікроРНК, із мікроРНК кластерів, можуть міститися в інтронах генів, що кодують білки, та бути мітронами — частинами інтронів мРНК, що процесуються за допомогою сплайсосоми та комплексу екзосома, а не ферменту Дроша^[48]. Одразу після транскрипції мікроРНК прекурсори називаються прі-мікроРНК і мають свою власну, характерну структуру, стебло-петля (англ. stem–loop) зі шпилькою, оточеною послідовністю дволанцюгової РНК. Прі-мікроРНК розпізнається ферментом Дроша, який відрізає нуклеотиди по боках від структури стебло-петля, формуючи пре-мікроРНК, довжиною приблизно 70 нуклеотидів^[48]. Пре-мікроРНК переноситься з ядра до цитоплазми за допомогою експортину-5^[49]. У цитоплазмі фермент Дайсер відрізає шпилькову частину пре-мікроРНК, формуючи дволанцюгову, не повністю комплементарно-зв'язану структуру довжиною 21-24 нуклеотиди — мікроРНК/мікроРНК* (з зірочкою). Далі білок родини Аргонавт обирає мікроРНК з дуплекса, а мікроРНК* деградується. Зріла мікроРНК взаємодіє з RISC і призводить до деградації/заглушення трансляції із цільової мРНК, до якої дана мікроРНК частково комплементарна. Сайти взаємодії з мікроРНК частіше лежать у 3' нетрансльованій ділянці мРНК (англ. 3' UTR), але також і в їх екзонах^[50].

Процесинг міРНК

Малі інтерферуючі РНК вперше були вивчені на рослинах, як похідні вірусів. Зараз зрозуміло, що міРНК в еукаріотів походять із різних частин геному, і можуть бути екзогенного походження. Біогенез міРНК залежить від того, чи для цього необхідна РНК-залежна РНК-полімераза^[51].

У тварин міРНК формуються з дволанцюгових РНК (длРНК, англ. dsRNA). У цитоплазмі (або ядрі) Дайсер виконує розрізання длРНК на міРНК-дуплекс довжиною 20-25 нуклеотидів із 2 нуклеотидами, неспареними на 3' кінці, та 5' монофосфатом. Один із двох ланцюгів міРНК-дуплексу взаємодіє з білком сімейства Аргонавт, і цей комплекс призводить до РНК-індукованого заглушення генів за участі RISC^[46].

У рослин та червів формування міРНК залежить від РНК-залежної РНК-полімерази (RdRP). У рослин формується прекурсор міРНК, другий, комплементарний ланцюг якого синтезується за допомогою RdRP. У результаті дволанцюгова РНК розрізається за допомогою Дайсера на міРНК, які метилюються ферментом HEN1 і взаємодіють із білками родини Аргонавт^[51].

У Caenorhabditis elegans прекурсори міРНК формуються з довгих дволанцюгових РНК за допомогою ферменту Дайсер (DCR-1), і взаємодіють із білком родини Аргонавт. Такий комплекс з'єднується із цільовою мРНК і за допомогою РНК-залежної РНК-полімерази синтезуються вторинні міРНК з 5' трифосфатними кінцями^[51].

Різниця між функціонуванням малих інтерферуючих РНК та мікроРНК — це повна чи неповна комплементарність даної нкРНК до послідовності мРНК, відповідно. При взаємодії мікроРНК з мРНК деякі нуклеотиди залишаються неспареними. Вважається, що міРНК в природі частіше зустрічаються у рослин^[52].

Процесинг піРНК

Більшість білків сімейства Аргонавт взаємодіють як із міРНК так і з мікроРНК, але є підродина, PIWI (англ. P-element-induced wimpy testis), що специфічно функціонує з піРНК для заглушення активності транспозонів^[52].

Зчитуються піРНК з піРНК-кластерів або активних транспозонів. Обидва види транскриптів досить довгі і для дозрівання потребують процесингу. Найкраще цей процес вивчений у плодової мухи Drosophila melanogaster. Первинних шлях процесингу піРНК не до кінця з'ясований, виконується, скоріше за все, за допомогою нуклеази Zucchini (Zuc), після розрізання такий прекурсор піРНК взаємодіє з Piwi чи Aubergine (Aub). У цьому процесі ще беруть участь білок теплового шоку 83 (Hsp83) та Shutdown (Shu). У результаті формується зріла піРНК, антисенсна транскрипту активного транспозону. Така піРНК вступає в «Пінг-понг» цикл, у якому вона з'єднується із транскриптом транспозону (сенс) і за допомогою Piwi чи Aubergine (Aub) розрізає його на зрілу піРНК (сенс). Потім цикл продовжується коли сенс піРНК та білок сімейства Аргонавт зв'язуються з антисенсним транскриптом з піРНК кластерів і розрізають його до довжини зрілої піРНК (антисенс). «Пінг-понг» цикл повторюється (див. ілюстрацію «Біогенез коротких некодуючих РНК»)^[44].

Довгі некодуючі РНК

Довгі некодуючі РНК, днРНК (англ. lncRNA) — це великий клас РНК, що характеризується довжиною більше за 200 нуклеотидів та відсутністю відкритої рамки зчитування в їх послідовності, тобто їхня нуклеотидна послідовність не є кодом для амінокислотної послідовності білків.

Довгі некодуючі РНК мають багато спільних рис із мРНК, хоча їхній біогенез не так добре вивчений: вони часто синтезуються за допомогою РНК-полімерази II, поліаденілуються та проходять сплайсинг і навіть альтернативний сплайсинг^[52]. При цьому деякі специфічні днРНК які знаходяться довгий час у ядрі, проте не мають класичного поліаденілування, зазвичай мають інші структури, які забезпечують стабільність. Наприклад, днРНК MALAT1^[en] має цікаву три-ланцюгову структуру де і 5' і 3'-кінцеві ділянки знаходяться всередині і не підлягають нуклеазній деградації.^[53]

ДнРНК можуть бути закодовані в геномі як у сенс- так і в антисенс-напрямках відносно генів, що кодують білки, можуть знаходитися в інтронах генів або бути міжгенними^[54].

На 2014 рік ідентифіковано понад 10000 міжгенних довгих некодуючих РНК і багато інтронних. Довгі некодуючі РНК експресуються на нижчих рівнях, ніж протеїн-кодуючі РНК (мРНК), також вони часто є тканино-специфічними^[55]. Функції днРНК слабко вивчені, але деякі з них регулюють рівні транскрипції певних генів шляхом безпосереднього зв'язування з факторами транскрипції, або завдяки епігенетичним механізмам регуляції експресії генів^[56].

Довгі некодуючі РНК піддаються нуклеотидним модифікаціям, таким як метилювання цитозину та аденіну. Багато із цих посттранскрипційних модифікацій є оберненими, і скоріше за все, регулюють функції днРНК^[57].

Здатність довгих некодуючих РНК згортатися у вторинну та третинну структури є основною характерною рисою функціонування цього класу некодуючих РНК. У структурі днРНК є шпильки, частини повної та неповної комплементарності, псевдовузли, що призводять до формування певної 3D моделі зі спіралями, які знаходяться паралельно чи перпендикулярно одна до одної — структури, які певним чином аналогічні елементам вторинної структури білків. Такі структури, вважається, і надають довгим некодуючим РНК можливість виконувати свої функції^[57].

Редагування РНК

Редагування РНК — це процес, при якому окремі нуклеотиди замінюються на інші в молекулі РНК. Також до редагування РНК відносять вставки та вирізання нуклеотидів РНК, що не є результатом сплайсингу. Редагування РНК змінює інформацію, закодовану в молекулі РНК і якщо це відбувається в кодуючій ділянці матричної РНК, то білок, що з неї буде зчитуватися, буде містити іншу амінокислоту. У тому випадку якщо додається/відрізається нуклеотид, — буде відбуватися зсув рамки зчитування^[en], що призведе до кардинальної зміни амінокислот білка або деградація мРНК^[58].

У процесі редагування РНК часто беруть участь багато різних білків та іноді також некодуючих РНК^[58].

Редагування РНК присутнє у багатьох різних організмів. У рослин цей процес відбувається в мітохондріях і пластидах. У пластидах квіткових рослин від 30 до 40 цитозинів змінюються на урацили, тоді як у папоротей та мохоподібних ця цифра може досягати декількох сотень. Мітохондріальна ДНК квіткових рослин змінює приблизно 450 цитозинів на урацили, і в основному цей процес стосується мРНК, але у нижчих рослин Ц-У редагування РНК відбувається частіше (до 2000 нуклеотидів) і може проходити у зворотному напрямку^[58].

У людини найчастіше відбувається зміна аденозину на інозин (A-на-I), що відбувається за допомогою сім'ї ферментів Аденозин-дезамінази РНК (англ. ADAR). ADAR здатні до з'єднання із дволанцюговими молекулами РНК і дезамінувати (прибрати аміно-групу, -NH₂) аденозин до інозину. Інозин розшифровується іншими ферментами в основному як гуанозин. A-на-I редагування РНК часто відбувається в транспозонах, таких як Alu-повтори, тому що вони здатні формувати багато дволанцюгових РНК, тоді як було зафіксовано лише декілька десятків випадків редагування РНК в неповторювальних елементах геному (таких, як гени, що кодують білки), і більшість із них стосуються тканин нервової системи^[59].

Іншим видом редагування РНК у людини є зміна Ц-на-У, яка виконується за допомогою інших дезаміназ, APOBEC. Але такий вид редагування РНК не є розповсюдженим і відбувається переважно в ентероцитах тонкого кишечнику^[60] та в деяких інших клітинах (моноцити).

Редагування РНК є додатковим механізмом збільшення різноманіття РНК, а також способом контролю їхнього рівня, адже редагування може призводити до деградації молекули РНК.

Модифікації РНК

Під час дозрівання РНК різні ферменти можуть хімічно змінювати рибонуклеотиди^[en]. Такі зміни можуть відбуватися як в азотистих основах, так і в 2' положенні рибози, чи одночасно і там і там. Також є модифікації, які відбуваються у декілька етапів поза молекулою РНК, а потім приєднуються до РНК за допомогою реакції нуклеотидної заміни. Прикладом такої реакції є кепування в деяких вірусів — до мРНК приєднується вже метильований гуанозин, метилювання якого пройшло на молекулі ГТФ^[61]. На сьогодні відомо понад 100 різних хімічних модифікацій РНК, хоча функції більшості з них залишаються невідомими^[62].

Оскільки РНК молекули, як вважалося, порівняно не довго існують у клітині, на сьогодні переважає думка, що модифікації рибонуклеотидів не довговічні, і після ковалентного з'єднання хімічної групи вона вже не від'єднується. Але є деякі відомості починаючи із 2011 року про обернене метилювання аденозину РНК (m6A)^[62].

Найбільш редагованими з видів РНК є транспортні РНК — приблизно один із п'яти нуклеотидів тРНК є модифікованим, також відомо більше 50 різних видів модифікацій нуклеотидів тРНК.^[63] Цікавим є те, що антикодонова петля є мішенню багатьох модифікацій нуклеотидів, при чому це залежить від того, яку амінокислоту і відповідно який антикодон містить дана тРНК. Оскільки послідовності антикодонових нуклеотидів різні, різними бувають модифікації тих нуклеотидів, які оточують антикодон (34-ий і 37-ий нуклеотиди найчастіше модифікуються), але вони забезпечують структурну відкритість антикодону і збільшують кодон-антикодонове впізнання.^[63]

Модифікації уридину

Псевдоуридин (Ψ)

Модифікація РНК, яка зустрічається найчастіше, це ізомеризація уридину на псевдоуридин (Ψ). Псевдоуридин, на відміну від урідину, здатен формувати додатковий водневий зв'язок, тому така модифікація призводить до збільшення структурної стабільності молекули РНК: пара U-A легше розплітається, ніж пара Ψ-A^[24]. Так, у дріжджів при тепловому шоці більшість молекул РНК деградують за допомогою екзосомального комплексу, проте ті, які мають на своєму 3'-кінці псевдоуридин гірше плавляться і є більш стабільні, оскільки екзосомі треба мати вільний, одноланцюговий 3'-кінець для нуклеазної активності.^[24]

У дріжджів псевдоуридин наявний у 46 позицій чотирьох рРНК (25S, 18S, 5.8S, та 5S), та у шести позиціях у малих ядерних РНК U1^[en], U2^[en], та U5^[en]. Транспортна РНК отримує перетворений уридин у псевдоуридиновій петлі за допомогою спеціальних ферментів, псевдоуридин синтаз (англ. pseudouridine synthase, PUS). Людини має 23 білки з доменом псевдоуридин синтази, але вони не вивчені до кінця. У вересні 2014 року Schwartz та співавтори випустили у журналі Cell статтю про наявність псевдоуридину в молекулах мРНК та малих ядерних РНК як дріжджів так і людини та запропонували методику секвенування Ψ-Seq для виявлення псевдоуридинів у цілих транскриптомах^[64].

Модифікації аденозину

Аденозин	N6-метиладенозин	N1-метиладенозин

Аденозин та його модифікації

N6-метиладенозин (m⁶A)

Дана модифікація є найбільш розповсюдженою з усіх модифікацій мРНК еукаріот і вона становить приблизно 80 % змінених нуклеотидів мРНК.^[24]

Модифікація m⁶A зустрічається в 3'-нетрансльованій ділянці мРНК. Експериментальне виключення ферментів, що додають m⁶A, призводить до порушення сплайсингу сотень генів, що дає підстави вважати що дана модифікація впливає на сплайсинг.^[24]

Присутність одного модифікованого m⁶A в 5'-нетрансльованій ділянці дозволяє запустити кеп-незалежну транскрипцію мРНК теплового шоку HSP70, тоді як кеп-залежна транскрипція заглушується під час теплового шоку.^[24]

Також m⁶A зустрічається в інтронах.^[24]

N1-метиладенозин (m¹A)

N1-метиладенозин вносить позитивний заряд у Вотсон-Криківську взаємодію, таким чином дана модифікація може сильно змінити вторинну структуру РНК чи взаємодію РНК з білками^[63]

Більшість транскриптів, які мають N1-метиладенозин, містять лише один сайт m¹A в 5'-нетрансльованій ділянці. Такі мРНК мають зазвичай білшу стабільність і вищій рівень трансляції.^[24]

Модифікації цитозину

Цитозин	5-Метилцитозин	5-Гідроксиметилцитозин

Цитозин та його модифікації

5-метилцитозин (m⁵C) та 5-гідроксиметилцитозин (hm⁵C)

5-Метилцитозин бере участь у регуляції трансляції, залежно від того, в якій частині мРНК розташований цей модифікований нуклеотид. Так, присутність m⁵C у 3'-нетрансльованому регіоні CDK1 мРНК збільшує рівень трансляції, а у 5'-НТР мРНК CDKN1B навпаки знижує. Такий механізм допомагає регулювати клітинний цикл.^[24]

Перетворення 5-метилцитозину на 5-гідроксиметилцитозин відбувається за допомогою ферментів метилцитозин-деоксигеназ. Така модифікація в плодових мух корилює із присутністю полірибосом.^[24]

Модифікації рибози

Уридин	2′-O-метилуридин

2′-O-метилування рибози в уридиновому нуклеозиді

2′-OMe

Основною вивченою модифікацією цукру РНК є метилювання у 2′-позиції залишку рибози, 2′-OMe^[en]: OH-група у положенні 2'C замінюється на OCH₃. Така модифікація загалом збільшує стабільність структури РНК^[65]

Нормальне функціонування клітин залежить від суворого контролю рівня експресії як РНК, що кодують білки, так і некодуючих РНК. Такі РНК беруть участь у транскрипції, процесингу та трансляції, підтриманні довжини теломер та багатьох інших подіях у клітині. Оскільки процесинг РНК включає в себе дозрівання молекули РНК від тієї форми, що закодована в молекулі ДНК, до зрілої функціональної РНК, то порушення цього процесу може викликати захворювання.

Так, при виникненні ізоформ мРНК — наприклад, у результаті мутацій, які призводять до активації іншого сайту сплайсингу — білки, які зчитуються з таких матриць можуть мати інший амінокислотний склад або бути конформаційно нестабільними, що призводить до нездатності білка виконувати свої функції^[66]. Прикладів альтернативного сплайсингу, який призводить до захворювань, є безліч. Так при атаксії телеангіектазії (синдром Луї-Бар), нейродегенеративному захворюванні зі схильністю до злоякісних новоутворень, делеція 4 нуклеотидів у 20-му інтроні гена ATM (англ. ataxia-telengiectasia mutated) призводить до активації альтернативного сплайсингу, та спричинює розвиток захворювання^[67].

РНК існують у клітинах у зв'язаному з білками стані, у вигляді так званих рибонуклеопротеїнових комплексів (РНП, англ. RNP) що складаються з однієї або більше молекул РНК та найчастіше багатьох РНК-зв'язуючих білків^[en] (англ. RNA-binding proteins, RBP, RNABP)^[68]. Власне, виконання відповідними РНК своїх функцій відбувається в таких рибонуклеопротеїнових комплексах, і їх нормальна активність залежить від чіткого розташування білкових структур відносно третинної структури РНК. Збої під час процесингу як відповідних некодуючих РНК, так і мРНК, що кодують ці білки, можуть призвести до порушення утворення цих комплексів^[68]. Наприклад, РНК-зв'язуючі білки, що в нормальних умовах беруть участь у регуляції сплайсингу, формують нетипові агрегати при хворобі Паркінсона та при аміотрофічному бічному склерозі^[11].

Цікавим випадком є синонімічні мутації — такі мутації в гені, що припадають на кодуючу ділянку РНК і не призводять до зміни амінокислоти, що вони кодують. Наприклад, ГГТ, ГГА та ГГГ кодують одну амінокислоту — гліцин. При точковій мутації гена в третьому положені цього кодону ГГ_ (наприклад ГГА→ГГЦ), амінокислота, що кодується такою мРНК, не зміниться — це все одно буде гліцин, звідси і назва мутації — синонімічна, адже в даному випадку А синонімічний Ц. Довгий час вважалося, що синонімічні мутації не призводять до будь-якого впливу на функціонування клітини. Однак у деяких випадках до 25 % таких синонімічних мутацій можуть впливати на взаємодію зі сплайсосомою і призводити до альтернативного сплайсингу^[68].

• Експресія генів
• Деградація РНК
• Епігенетика
• Епігенетичний код
• Регуляторні послідовності
• Оперон
• Антисенсові РНК
• Посттрансляційна модифікація

• David L. Bentley (March 2014). Coupling mRNA processing with transcription in time and space. Nature reviews. Genetics. 15 (3): 163—175. doi:10.1038/nrg3662. PMID 24514444.
• А. В. Сиволоб (2008). Молекулярна біологія (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". Архів оригіналу (PDF) за 4 березня 2016. Процитовано 20 червня 2014.
• А. В. Сиволоб, С.Р. Рушковський, С.С. Кир'яченко та ін. (2008). Генетика (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". Архів оригіналу (PDF) за 4 березня 2016. Процитовано 16 липня 2014. {{cite book}}: Явне використання «та ін.» у: |author= (довідка)