БИОХИМИЯ, 2007, том 72, вып. 11, с. 1427 - 1448
УДК 577.241
НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК Обзор
© 2007 г. Ю.А. Макарова, Д.А. Крамеров*
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991 Москва, ул. Вавилова, 32; факс: (495)135-1405, электронная почта: makarova@eimb.ru, kramerov@eimb.ru
Поступила в редакцию 05.06.07
В последнее десятилетие отмечен прогресс в изучении не кодирующих белки РНК (нкРНК). Благодаря развитию новых экспериментальных подходов обнаружено множество видов таких молекул. Рассмотрены основные группы нкРНК эукариот, успехи в изучении которых достигнуты в последнее время. В частности, обсуждены snoPHK и scaPHK, вовлеченные в модификацию РНК, а также механизмы РНК-сайленсинга с участием ш1РНК, siРНК, tasiРНК и р1РНК. Отдельно рассмотрены транскрипты мобильных генетических элементов типа SINE и родственных им генов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нкРНК, SRA РНК, 7SK РНК, NRSE РНК, snoРНК, scaРНК, miРНК, tasiРНК, piРНК, BC1 РНК, BC200 РНК, 4.5S РНК.
Одним из наиболее динамично развивающихся и увлекательных направлений молекулярной биологии и биохимии является изучение не кодирующих белки РНК (нкРНК). Первые нкРНК были обнаружены полвека назад. Ими оказались рибосомные и транспортные РНК, вовлеченные в процесс трансляции. Позже были обнаружены малые ядерные РНК (Ш, и2, и4, и5, иб, и11 и и12), участвующие в сплайсинге. Было открыто еще несколько нкРНК, выполняющих разнообразные функции. Так, 78Ь РНК служит каркасом сигналузнающей частицы и вовлечена в транспорт белков в ЭПР. РНК, входящая в состав теломеразы, использу-
Принятые сокращения: н. — нуклеотиды; п.н. — пары нуклеотидов; а.о. — аминокислотные остатки; нкРНК — некодирующие РНК; дцРНК — двуцепочечная РНК; НТО — нетранслируемая область; SRA (steroid receptor activator) — активатор стероидных рецепторов; NRSE (neuron-restrictive silencer element) — нейронспецифический сайленсер-элемент; РНП — рибонуклеопротеиды; snoРНК (small nucleolar RNAs) — малые ядрышковые РНК; scaРНК (small Cajal-body specific RNAs) — малые РНК из телец Кахаля; snРНК (small nuclear RNAs) — малые ядерные РНК; miРНК (microRNAs) - микро-РНК; siРНК (small interfering RNAs) — малые интерферирующие РНК; tasiРНК transacting siRNAs) — трансдействующие siРНК; piРНК (Piwi-interacting RNAs) — РНК, ассоциированные с белками семейства Piwi; rasiРНК (repeat-associated siRNAs) — малые интерферирующие РНК, ассоциированные с повторами; TGS (transcriptional gene silencing) — транскрипционный сайленсинг генов; SINE (short interspersed elements) — короткие рассеянные по геному элементы. * Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
ется как матрица для синтеза теломерных повторов. РНК обнаружены в составе РНКаз Р и MRP (mitochondrial RNA processing). РНКаза Р осуществляет удаление 5'-концевой лидерной последовательности у пре-тРНК. РНКаза MRP участвует в процессинге пре-рРНК, внося разрыв в первый внутренний транскрибируемый спейсер. Кроме того, в митохондриях она разрушает связь между РНК-затравкой и вновь синтезированной ДНК [1]. Все эти РНК достаточно хорошо изучены и уже описаны в учебниках. Поэтому в данном обзоре они не будут рассматриваться.
В последние несколько лет получены убедительные доказательства того, что у эукариот число генов нкРНК превышает число известных и предсказанных генов, кодирующих белки. Так, с помощью анализа геномных баз данных и клонирования коротких РНК (длиной 20—200 нуклеотидов (н.)), присутствующих в суммарной клеточной РНК или ассоциированных с белками, обнаружены тысячи новых функциональных РНК. Последний подход, оказавшийся очень плодотворным, получил название «РНомика» [2]. Анализ транскрипционной активности генома свидетельствует о том, что транскрибируется значительно большая часть генома, чем предполагалось ранее, причем основная часть новых локусов дает начало длинным полиаденилиро-ванным и неполиаденилированным нкРНК.
Представление о масштабах транскрипции генома было получено главным образом благо-
даря развитию нового экспериментального подхода, названного «genomic tiling arrays» (GTA) (to tile — крыть черепицей). При проведении GTA на чипе размещают синтетические олигонуклео-тиды или продукты ПЦР, подобранные так, чтобы они равномерно покрывали выбранную последовательность ДНК, например всю хромосому. Они могут располагаться на некотором расстоянии один от другого или перекрываться, как черепица на крыше: начало следующего соответствует концу предыдущего (повторяющиеся последовательности исключают). Чаще всего чипы гибридизуют с кДНК, полученной из по-лиаденилированной РНК. Этот метод отличается высокой производительностью, независимостью от текущих аннотаций генома и высокой чувствительностью, что позволяет детектировать редкие транскрипты [3].
При исследовании с помощью GTA десяти хромосом человека обнаружено, что 10% геномных последовательностей дает начало цитоплаз-матическим полиаденилированным транскриптам [4]. Надо отметить, что последовательности, входящие в состав мРНК, составляют не более 2% генома [5]. При изучении тем же методом хромосом 20—22 [6—8] и полного генома человека (1,5 • 109 н., повторяющиеся последовательности исключены) [9], а также геномов дрозофилы [10, 11] и арабидопсиса [12] получены сходные результаты. Часть обнаруженных транскрибируемых последовательностей соответствует неизвестным ранее экзонам или целым генам, кодирующим белки. Однако 30—50% таких последовательностей входит в состав нкРНК.
Аналогичные данные о масштабах транскрипции генома и числе нкРНК получены с помощью других методов [13—18]. В частности, в соответствии с данными проекта FANTOM3 создания полного каталога транскриптов мыши, число локусов, кодирующих нкРНК, >22 000 [19, 20].
Таким образом, множество транскрибируемых последовательностей в течение ряда лет оставалось незамеченным. По аналогии с терминологией, принятой в физике, эти транскрипты названы «темная материя» [3]. Входящие в ее состав нкРНК могут быть разделены на длинные (от ~400 до десятков тысяч нуклеоти-дов) и короткие (20—400 н.).
ДЛИННЫЕ нкРНК
Обнаруженные в геномах человека и модельных организмов десятки тысяч длинных поли-аденилированных и неполиаденилированных
нкРНК пока еще мало изучены. Поскольку уровень их транскрипции обычно низкий, можно предполагать, что значительная часть этих РНК выполняет регуляторные функции. Известно альтернативное и широко обсуждаемое [21] предположение о том, что они являются результатом неспецифической транскрипции и не несут функциональной нагрузки. Доводом в пользу существования такого «транскрипционного шума» может служить низкая консервативность существенной части нкРНК [19]. В пользу функциональной значимости этих транскрип-тов свидетельствует ряд данных. Так, промоторы нкРНК даже более консервативны, чем промоторы генов белков [19]. Кроме того, отсутствие консервативности не всегда указывает на нефункциональность последовательности [22, 23]. Многие нкРНК с известной функцией, например Xist и Air, имеют низкую консервативность.
Большое число нкРНК обладает тканеспе-цифичной экспрессией и транскрибируется на определенных стадиях развития [4, 8, 12, 24]. Экспрессия значительной части нкРНК меняется после обработки клеток ретиноевой кислотой [25] и липополисахаридами [24]. Некоторые онкологические и наследственные заболевания сопровождаются нарушениями экспрессии нкРНК, хотя в большинстве случаев неясно, являются эти нарушения причиной или следствием болезни [26].
Описаны примеры сквозной транскрипции целых геномных доменов, которые содержат несколько генов, кодирующих белки [26]. Например, домен, включающий в себя три гена а-глобина кур, транскрибируется с образованием РНК длиной 33 000 н. [27]. Эта гигантская РНК деградирует в ядре. Сквозная транскрипция геномного домена, видимо, важна для поддержания интенсивной транскрипции мРНК самих а-глобиновых генов.
Многие нкРНК закодированы в тех же локу-сах, что и белки, но на другой цепи ДНК. Кроме того, обе цепи в одном локусе могут кодировать разные нкРНК. В таких локусах обе цепи ДНК транскрибируются и образовавшиеся РНК потенциально способны формировать между собой дуплексы. В геноме мыши >70% транскрипционных единиц перекрывается с транскриптами противоположной цепи, причем в половине случаев хотя бы одним из членов пары является нкРНК [20]. Несмотря на то что размер геномов позволяет разместить все гены в отдельных ло-кусах, этот способ организации очень распространен и поэтому, вероятно, имеет биологический смысл [28]. Привлекательным выглядит предположение о том, что антисмысловой транскрипт, например нкРНК, регулирует экспрес-
сию своего партнера. Так как при взаимодействии этих транскриптов образуется дцРНК, то такая регуляция могла бы осуществляться с помощью механизмов РНК-интерференции и редактирования РНК аденозиндезаминазами [29]. Можно также предполагать, что процесс транскрипции одного члена пары будет препятствовать транскрипции другого. Однако экспериментальные свидетельства в пользу регулятор-ной роли антисмысловых транскриптов весьма немногочисленны и часто не поддаются однозначной интерпретации [28]. Например, при ингибировании экспрессии одного члена пары с помощью siРНК экспрессия другого в ряде случаев возрастала, в ряде случаев снижалась или оставалась на прежнем уровне [20]. Свидетельства в пользу функциональной значимости не-кодирующих антисмысловых РНК и их возможной регуляторной роли получены в работе [25]. С помощью GTA и иммунопреципитации хроматина авторы картировали сайты связывания транскрипционных факторов р53, Sp1 и cMyc на хромосомах 21 и 22 человека. Оказалось, что 36% сайтов находилось в 3'-областях генов белков, причем расположение этих сайтов статистически достоверно коррелировало с распределением нкРНК. При обработке клеток ретиное-вой кислотой для многих пар антисмысловая РНК/ген белка наблюдалась корегуляция. Поскольку промоторные области кодирующих и не кодирующих белок генов содержат сайты связывания одних и тех же транскрипционных факторов и экспрессия многих из этих пар координи-рованно изменяется при внешних воздействиях, можно полагать
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.