Стабильность мРНК и экспрессия генов

Структура и стабильность молекул мРНК регулируют экспрессию генов, поскольку мРНК являются ключевым звеном на пути от гена к белку. У эукариот период полужизни мРНК варьируется от нескольких минут до нескольких дней. Стабильность мРНК необходима для роста и развития. Отсутствие белков, регулирующих ее стабильность, таких как тристетрапролин у мышей, может вызвать системные проблемы, включая разрастание костного мозга, воспаление и аутоиммунитет.

Цис -активные элементы, вовлеченные в стабильность мРНК

Последовательность мРНК не только кодирует белки, но также содержит различные цис -активные области, которые либо сами по себе, либо с помощью транс-действующих белков регулируют стабильность мРНК. 5'-конец мРНК имеет кэп 7-метилгуанилат (m⁷G), а 3'-конец имеет поли-А-хвост, оба из которых защищают мРНК от экзонуклеаз. Поли-А-хвост короче 15-20 нуклеотидов может приводить к декэппированию и последующей деградации мРНК; следовательно, длина поли-А-хвоста важна для стабильности мРНК. 5'- и 3'-нетранслируемые области (НТО) мРНК содержат различные последовательности, которые действуют как сайты связывания для белков, участвующих в деградации и стабильности мРНК. 5'-НТО содержит области связывания для белков, которые способствуют декэппированию, или удалению 5' m⁷G кэпа . 3'-НТО в некоторых мРНК, особенно с периодом полужизни менее 30 минут, несет множественные “AUUUA” повторы, известные как AU-богатые последовательности. Когда белки, дестабилизирующие мРНК, связываются с этими AU-богатыми последовательностями, они способствуют быстрому деаденилированию и деградации мРНК. С другой стороны, когда присутствуют стабилизирующие мРНК белки, они конкурируют с дестабилизирующими белками за связывание с AU-богатыми последовательностями и снижают скорость деградации мРНК. Некоторые другие мРНК также несут специфические последовательности распознавания для эндонуклеаз.

Основные пути деградации мРНК

Наиболее распространенные механизмы деградации мРНК включают удаление поли-А хвоста с 3'-конца и 5' m⁷G кэпа. Деаденилирование, удаление аденинов из поли-A-хвоста, может приводить к деградации мРНК по двум различным механизмам. Первый механизм включает укорочение поли-А-хвоста до менее чем 15-20 нуклеотидов, что дестабилизирует ассоциацию между мРНК и связывающимися с ней белками.  Это обнажает 5' m⁷G кэп для ферментов декэппирования, DCP1 и DCP2. Декэппированные и незащищенные 5'-концы мРНК затем могут быть расщеплены с помощью 5'-3'-экзонуклеазы, XRN1. Другой механизм деградации включает полное удаление 3'-поли-A-хвоста под действием деаденилаз и последующую деградацию незащищенного 3'-конца цитоплазматическим комплексом экзосом в 3'-5' направлении. Деградация мРНК из 5' в 3' является основным путем у дрожжей, в то время как деградация мРНК от 3' к 5' является основной в клетках млекопитающих. Однако мРНК также может разрушаться двумя механизмами одновременно. В некоторых мРНК деаденилирование не является предварительным условием деградации.  Один из механизмов включает декэппирование 5'-конца, за которым следует 5'-3' деградация мРНК с использованием экзонуклеазы XRN1. Другой, реже наблюдаемый путь деградации включает внутреннее расщепление мРНК с помощью эндонуклеаз. Возникающие незащищенные концы разорванной мРНК затем могут быть легко расщеплены в 5'-3' и в 3'-5' направлениях с помощью XRN1 и комплекса экзосом соответственно.