ОНТОГЕНЕЗ, 2007, том 38, № 3, с. 213-227
РЕГУЛЯЦИЯ ГЕННОЙ ^^^^^^^^^^ ЭКСПРЕССИИ В РАЗВИТИИ
УДК 577.2145
РОЛЬ КОРОТКИХ РНК В РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ И МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕРМИНАТИВНЫХ КЛЕТКАХ1
© 2007 г. М. С. Клёнов, А. Д. Столяренко, С. С. Рязанский, О. А. Соколова, И. Н. Константинов, В. А. Гвоздев
Институт молекулярной генетики РАН 123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 2 E-mail: gvozdev@img.ras.ru; asyastol@rambler.ru Поступила в редакцию 13.11.06 г.
В негативной регуляции экспрессии генов эукариот участвуют два основных типа коротких РНК (длиной 21-25 нуклеотидов): микроРНК и короткие интерферирующие РНК (siPHK, small interfering RNA) системы РНК-интерференции. МикроРНК главным образом подавляют трансляцию мРНК-мишеней; siPHK не только препятствуют трансляции мРНК и/или приводят к распаду мРНК, но и вовлекаются в регуляцию экспрессии генов на уровне транскрипции. В герминативных клетках существенную роль играет трансляционная регуляция экспрессии генов, механизм которой особенно детально изучен в оогенезе дрозофилы. В меньшей степени исследована роль гетерохроматиза-ции и компактизации хроматина, которая может быть направлена на подавление экспрессии мобильных элементов и других повторяющихся элементов генома. Активация и перемещение мобильных элементов, сопровождающиеся мутациями и хромосомными перестройками, особенно опасны в клетках зародышевого пути. Предполагается, что в подавлении экспрессии мобильных элементов в герминативных клетках дрозофилы может участвовать специализированный класс коротких РНК (rasiRNA, repeat associated siRNA). В работе описываются характерные для герминативных клеток субклеточные рибонуклеопротеиновые структуры - перинуклеарные и полярные гранулы, содержащие белки системы РНК-интерференции и созревания микроРНК. Представлены также собственные результаты, обнаруживающие роль генов системы РНК-интерференции в подавлении экспрессии мобильных элементов дрозофилы.
Ключевые слова: короткие РНК, мобильные элементы, перинуклеарные гранулы, полярные гранулы, герминативные клетки, оогенез.
Открытие роли коротких PHK в регуляции экспрессии генов эукариот рассматривается как революционное событие в молекулярной биологии (Mello, Conte, 2004). Kopoткие PhK представлены двумя главными классами: микpoPHK (microRNA, miRNA) и малыми интерферирующими PHK, или siPHK (small interfering RNA) (Meister, Tusch, 2004). Poль микpoPHK в основном сводится к регуляции трансляции (Bartel, 2004), хотя у растений они могут участвовать в метилировании ÑHK и, следовательно, в модификации хроматина (Lippman et al., 2003; Bao et al., 2004; K^ob, Гвоздев, 2005). siPHK могут не только препятствовать трансляции мPHK и/или приводить к распаду мPHK, но и вовлекаться в регуляцию экспрессии генов на уровне транскрипции. siPHK, вовлеченные в подавление экспрессии повторяющихся элементов генома, включая мобильные элементы, получили название rasiPHK (repeat
1 Paбoтa поддержана Poссийским фондом фундаментальных исследований (проект < 05-04-48034а), Poссийскoй государственной программой по поддержке ведущих научных школ (проект < НШ-6113.2006.4) и Программой Президиума PAH "Молекулярная и клеточная биология".
associated siPHK) (Aravin et al., 2003). Считается, что rasiPHK могут образовываться вследствие двунаправленной транскрипции повторяющихся элементов, сопровождающейся продукцией двухцепочеч-ной РНК (дцРНК), процессинг которой приводит к образованию коротких РНК (Volpe et al., 2002; May et al., 2005). В целом короткие РНК играют важнейшую роль в негативной регуляции экспрессии генов (РНК-сайленсинг) как на уровне трансляции, так и транскрипции. Механизмы РНК-сайленсинга с помощью коротких РНК также часто называют РНК-интерференцией (РНКи). Хотя РНК-сайлен-синг подавляет экспрессию генов, приводя к потере функции, в отдельных случаях короткие РНК, напротив, участвуют в обеспечении функции определенных участков генома: например, siPHK важны для функционирования центромерных повторов дрожжей Schizosaccharomyces pombe, вызывая их ге-терохроматизацию (компактизацию), необходимую для расхождения хромосом при делении клетки (Reinhart, Bartel, 2002; Volpe et al., 2002; Verdel et al., 2004).
Загрузка микроРНК*
si-/MHKpoPHK I
в RISC 1
" Т
Рис. 1. Механизм РНК-сайленсинга с участием siPHK и микроРНК.
(*) - цепь siPHK и микроРНК, не вошедшая в эффекторный комплекс RISC; остальные обозначения см. в тексте.
Рассмотрение функций РНКи, оперирующей на разных уровнях экспрессии генов, показывает ее значимость в процессах развития и дифференци-ровки эукариот. Полагают, что механизмы РНКи являются древним приобретением в ходе эволюции эукариот. Роль РНКи, рудименты которой обнаруживаются и у архей (Parker et al., 2005), в подавлении генов у эукариот обсуждается во многих обзорах (Hannon, 2002; Meister, Tuschl, 2004; Cerutti, Casas-Mollano, 2006).
ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ siPHK И микроРНК
При описании путей процессинга предшественников siPHK и микроРНК будем пользо-
ваться номенклатурой, принятой для белков дрозофилы, которым соответствуют белки-ортоло-ги разных представителей эукариот (нематод, млекопитающих, растений и других организмов). Образование siPHK в результате процессинга длинной дцРНК было подробно изучено на системах in vitro у дрозофилы (Tuschl et al., 1999; Zamore et al., 2000; Elbashir et al., 2001a). Пути процессинга предшественников коротких РНК представлены на рис. 1. ДцРНК разрезается эндорибо-нуклеазой Dicer (от англ. "dice" - резать на мелкие кусочки) (Bernstein et al., 2001) на дуплексы размером 21-23 н. п., содержащие на З'-конце два выступающих нуклеотида, а на 5'-конце - фосфат (Elbashir et al., 2001b). Образующиеся siPHK включаются в эффекторный комплекс (RISC -
RNA-induced silencing complex), связываясь с его ключевым компонентом - белком семейства Argonaute (Ago) (Hammond et al., 2000, 2001). Помимо Ago комплекс RISC содержит ряд вспомогательных белков с неизвестной функцией. siPHK доставляется в RISC с помощью комплекса Dicer с PHK-связывающим белком-помощником R2D2 (Liu et al., 2003), который определяет, какая из двух комплементарных цепей siPHK станет эф-фекторной, т.е. PHK-гидом (guide), взаимодействующим с мРНК-мишенью (Tomari et al., 2004b). При формировании активного RISC другая цепь siPHK, комплементарная PHK-гиду (сопровождающая, passenger), распадается (Matranga et al.,
2005). PHK-гид находит комплементарную последовательность мPHK, а белок Ago катализирует ее разрезание. В геноме эукариот закодированы несколько вариантов Ago, в том числе те, которые не обладают нуклеазной активностью, но тем не менее, как показывает генетический анализ, вовлечены в PHK-сайленсинг (Parker, Barford,
2006). siPHK может также участвовать в подавлении транскрипции генов, взаимодействуя с комплементарной новообразованной PHK (Schramke et al., 2005) (рис. 1) и вызывая модификацию ги-стонов, характерную для неактивного хроматина (Buhler et al., 2006; Irvine et al., 2006). Такой механизм воздействия siPHK на уровне хроматина пока показан только у дрожжей S. pombe.
MикроPHK возникают из транскриптов, способных образовывать двухцепочечную шпильку, подвергающуюся процессингу (см. обзор: Bartel, 2004). Гены микроPнK могут находиться между другими генами или составлять часть последовательности интронов других генов. Они транскрибируются с образованием pri-микроPHK (primary miRNA) размером до 1000 нуклеотидов, участок которой содержит комплементарные последовательности, складывающиеся в шпильку (рис. 1) (Bartel, 2004). ^мплекс эндорибонуклеазы Drosha с дцPHK-связывающим кофактором Pasha (так называемый микропроцессор) (Denli et al., 2004) вырезает шпильку с образованием pre-микроPHK (precursor of miRNA) размером 70 нуклеотидов. Pre-микроPHK при участии экспортина-5 (Yi et al., 2003) выходит в цитоплазму, где комплекс Dicer с дцPHK-связывающим белком-помощником Loqs (Forstemann et al., 2005) вырезает зрелые микроPHK длиной 21-23 нуклеотида. ^к правило, микроPHK животных взаимодействуют с З'-нетранслируемой областью мPHK-мишени, образуя в отличие от siPHK частично некомплементарные дуплексы, что приводит к подавлению трансляции мPHK. MикроPHK растений часто полностью комплементарны своим мишеням и, как и siPHK, вызывают деградацию мPHK (Hutvagner, Zamore, 2002; Bartel B., Bartel D., 2003). Возникновение в процессе эволюции многоклеточных эукариот генов микроPHK привело к по-
явлению новой регуляторной системы, в которой ключевую роль играют некодирующие PHK. Мишенями системы микроPHK оказываются жизненно важные гены, многие из которых кодируют факторы транскрипции, регулирующие апоптоз, скорость роста и клеточную дифференцировку.
В процессинге предшественников микроPHK и siPHK могут принимать участие белки, сходные по механизму действия или даже идентичные. пример, Loqs и Dicer могут участвовать в PHK-сайленсинге, зависимом как от микроPHK, так и от siPHK (Lee et al., 2004; Forstemann et al., 2005). В геноме человека существует единственный ген, кодирующий Dicer и участвующий в процессинге как дцPHK, так и pre-микроPHK. Поэтому пути подавления экспрессии генов с помощью разных типов коротких PHK, "узнающих" одни и те же или разные мишени, могут регулироваться одними и теми же факторами. Следовательно, зависимые от микроPHK и siPHK пути не следует рассматривать как непересекающиеся автономные способы негативной регуляции экспрессии генов. Описанию механизмов сайленсинга с помощью коротких PHK посвящен ряд обзоров (Hannon, 2002; Аравин и др., 2002a, б; Meister, Tuschl, 2004; Kлëнов, Гвоздев, 2005; ^тельников и др., 2006).
Механизм PH&, по-видимому, возник в эволюции как способ борьбы с вирусной инфекцией или с вредными для генома мобильными элементами. ,ÔflPHK может образовываться при репликации генома PHK-вирусов, при двунаправленной транскрипции мобильного элемента с участием собственного "смыслового" и внешнего или собственного "антисмыслового" промотора, а также при транскрипции ДИ^транспозонов с инвертированными повторами (Гвоздев, 2003). Такая дцPHK, гомологичная вирусам и мобильны
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.