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11.6:

Stabilità dell'mRNA ed espressione genica

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Biologia Molecolare
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mRNA Stability and Gene Expression

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L’estensione e il tempo dell’espressione genica sono influenzati dalla stabilità del mRNA. Gli mRNA stabili possono avere emivite di diverse ore e codificare le proteine che necessitano di essere continuamente prodotte. La sintesi proteica può continuare a lungo dopo l’interruzione della trascrizione, se un mRNA non è degradato.Al contrario, gli mRNA instabili solitamente hanno un’emivita breve, inferiore a 30 minuti e sono rapidamente degradati. A meno che la trascrizione di questi geni non sia continua, l’mRNA può essere tradotto solo per un breve periodo di tempo;questo aiuta un organismo a fermare rapidamente la produzione di proteine non necessarie. Gli mRNA sono degradati attraverso tre vie differenti.Il metodo più comune è la via dipendente dalla deadenilazione dove le adenine sono rimosse dalla coda poli-A di un mRNA, innescando la sua degradazione da entrambe le estremità del trascritto. Il complesso di nucleasi deadenilate, degrada la coda di poli-A in una direzione da tre primi a cinque primi. Dopo la rimozione delle adenine, l’mRNA, viene ulteriormente degradato nella stessa direzione dal complesso esosomico citoplasmatico.L’estremità cinque primi di un mRNA ha un cap per proteggerlo dalle esonucleasi. L’mRNA forma spesso un anello dove il cap cinque primi e la poli-A coda tre primi, sono tenuti insieme da proteine specifiche. Quando la coda poli-A si riduce a meno di 15 residui, molte di queste proteine non possono legarsi alla coda poli-A, che espone i cinque primi cap agli enzimi di decapping.Questo processo si traduce successivamente nel decapping dei cinque primi. L’mRNA privo di cap, viene poi degradato da cinque primi a tre primi tramite un’altra esonucleasi. Il secondo tipo di degradazione è una via indipendente dalla deadenilazione, in cui gli enzimi di decapping, rimuovono i caps da cinque primi.Un’esonucleasi degrada poi l’mRNA, non protetto, dai cinque primi ai tre primi. La terza, e meno frequente via, 00:02:14.170-00:02:16.990 comporta la scissione interna di un mRNA, usando specifiche endonucleasi. I frammenti dell’mRNA hanno le estremità cinque primi e tre primi, non protette.Esonucleasi specifiche possono quindi agire su queste estremità non protette e degradare l’mRNA. La degradazione dell’mRNA avviene in corpi proteici aggregati noti come corpi di processazione o di P.Questi corpi P contengono enzimi, compresi quelli coinvolti nel decapping dei cinque primi, e tre primi, durante la degradazione del mRNA.

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Stabilità dell'mRNA ed espressione genica

The structure and stability of mRNA molecules regulates gene expression, as mRNAs are a key step in the pathway from gene to protein. In eukaryotes, the half-life of mRNA varies from a few minutes up to several days. mRNA stability is essential in growth and development. The absence of the proteins regulating its stability, such as tristetraprolin in mice, can cause systemic issues, including bone marrow overgrowth, inflammation, and autoimmunity.

Cis-acting Elements involved in mRNA stability

An mRNA sequence not only encodes proteins but also contains various cis-acting regions, which either alone or with the help of trans-acting proteins, regulate mRNA stability. The 5' end of an mRNA has a 7-methylguanylate (m7G) cap, and the 3' end has a poly-A tail, both of which protect mRNA from exonucleases. A poly-A tail shorter than 15-20 nucleotides can lead to decapping and subsequent degradation of the mRNA; therefore, the length of the poly-A tail is important for the stability of mRNA. The 5' and 3' untranslated regions (UTR) of mRNA contain various sequences that act as binding sites for proteins involved in mRNA degradation and stability. The 5' UTR contains binding regions for proteins that promote decapping or removal of the 5' m7G cap. The 3' UTR in some mRNAs, especially those with a half-life of less than 30 minutes, carries multiple “AUUUA” repeats, known as AU-rich sequences. When mRNA-destabilizing proteins bind to these AU-rich sequences, they promote rapid deadenylation and degradation of the mRNA. On the other hand, when mRNA-stabilizing proteins are present, they compete with the destabilizing proteins for binding to the AU-rich sequences and decrease the degradation rate of the mRNA. Some other mRNAs also carry specific recognition sequences for endonucleases.

Major Pathways of m-RNA degradation

The most common mechanisms of mRNA degradation involve the removal of the 3' end poly-A tail and 5' m7G cap. Deadenylation, removal of adenines from the poly-A tail, can lead to degradation of mRNA by two different mechanisms. The first mechanism involves the shortening of the poly-A tail to less than 15-20 nucleotides, which destabilizes the association between the mRNA and its binding proteins.  This exposes the 5' m7G cap to the decapping enzymes, DCP1 and DCP2. The decapped and unprotected 5' end of the mRNA then can be degraded with the help of the 5' to 3' exonuclease, XRN1. Another mechanism of degradation involves complete removal of the 3' poly-A tail by deadenylases and the subsequent degradation of the unprotected 3' end by the cytoplasmic exosome complex in the 3' to 5' direction. The 5' to 3' mRNA degradation is a major pathway in yeast, while the 3' to 5' mRNA degradation is a major one in mammalian cells; however, mRNA can also be degraded by both mechanisms at the same time. In some mRNAs, deadenylation is not a prerequisite for degradation.  One mechanism involves the decapping of the 5' end followed by 5' to 3' mRNA degradation using exonuclease XRN1. The other less observed degradation pathway involves an internal cleavage of the mRNA using endonucleases. The nascent unprotected ends of the broken mRNA then can be easily degraded in 5' to 3' and 3' to 5' direction with the help of XRN1 and the exosome complex, respectively.

Suggested Reading

  1. Beelman, Clare A., and Roy Parker. "Degradation of mRNA in eukaryotes." Cell 81, no. 2 (1995): 179-183.
  2. Steinman, R. A. "mRNA stability control: a clandestine force in normal and malignant hematopoiesis." Leukemia 21, no. 6 (2007): 1158-1171.
  3. Green, Pamela J. "Control of mRNA stability in higher plants." Plant Physiology 102, no. 4 (1993): 1065.