Рибопереключатели

Рибопереключатели – это некодирующие домены мРНК, которые регулируют транскрипцию и трансляцию нижележащих генов без помощи белков. Рибопереключатели связываются непосредственно с метаболитом и могут в ответ на присутствующее количество метаболита образовывать уникальные структуры типа стебель-петля или шпилька. Они имеют две отдельные области– аптамер, связывающий метаболит, и платформу экспрессии.

Аптамер обладает высокой специфичностью к определенному метаболиту, что позволяет рибопереключателям специфически регулировать транскрипцию даже в присутствии многих других биомолекул. Аптамеры связывают ряд органических молекул, включая пурины, коферменты и аминокислоты. Они также связывают неорганические молекулы, такие как катионы магния и фторид-анионы.  Большинство аптамеров связывают свои лиганды за счет водородных связей или электростатических взаимодействий. На рибопереключателе может быть один или несколько сайтов связывания лиганда. В лизиновом рибопереключателе на аптамере присутствует единственный сайт связывания лизина. Напротив, в глициновом рибопереключателе на мРНК присутствуют два отдельных глицин-специфичных аптамера, позволяющих аптамеру воспринимать только очень высокие концентрации глицина, поскольку рибопереключатель функционирует только тогда, когда с ним связаны две молекулы.

Платформа экспрессии регулирует транскрипцию или трансляцию, образуя антитерминаторную или терминаторную структуру. Формирование этих структур зависит от связывания метаболита с аптамером. В низких концентрациях метаболиты не связываются с аптамером. Это будет сигналом платформе экспрессии к формированию антитерминаторной структуры, которая позволит продолжить транскрипцию или трансляцию. Напротив, когда метаболит присутствует в высоких концентрациях, он будет связываться с аптамером. В этом случае платформа экспрессии образует терминаторную структуру, за которой следует ряд остатков урацила, что заставляет РНК-полимеразу диссоциировать с транскриптом и цепью ДНК, тем самым прекращая транскрипцию. Платформа экспрессии также может ингибировать связывание рибосомы с транскриптом, образуя структуру шпильки в сайте связывания рибосомы, также известном как последовательность Шайна-Далгарно, предотвращая инициацию трансляции. Другой механизм, с помощью которого рибопереключатели регулируют транскрипцию, заключается в действии в качестве РНК-ферментов, или рибозимов, что наблюдается в рибопереключателе-рибозиме glmS. Эти рибозимы расщепляют мРНК рибопереключателя при связывании метаболита, а затем оставшаяся мРНК расщепляется РНКазой, что приводит к ингибированию трансляции.

Считалось, что рибопереключатели присутствуют только у бактерий и архей, но в последнее время их также обнаружили у растений и грибов.  До сих пор у эукариот были обнаружены только рибопереключатели, специфичные для тиаминпирофосфата (ТПФ). В отличие от бактерий, эукариотические гены содержат интроны, которые не позволяют транскрипции и трансляции происходить на одном и том же транскрипте одновременно; следовательно, эти рибопереключатели регулируют транскрипцию путем альтернативного сплайсинга. У некоторых растений рибопереключатель ТПФ присутствует в 3'-нетранслируемой интронной области гена THIC. Низкие уровни ТПФ маскируют близлежащий 5’-сайт сплайсинга 3'-нетранслируемой области, производя стабильную мРНК. Однако, когда присутствуют высокие концентрации ТПФ, он связывается с рибопереключателем и обнажает 5’-сайт сплайсинга 3'-нетранслируемой области. Удаление интрона приводит к образованию нестабильной мРНК, которая не может продуцировать белок.