RNAs المتداخلة الصغيرة. تعرف على معنى "Small RNA" في القواميس الأخرى وظائف RNA الصغير

تشير الاستعارة الكامنة وراء اسم ظاهرة تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) إلى تجربة نبات البطونية، عندما لم تؤدي جينات إنزيم الصباغ الوردي والأرجواني التي تم إدخالها بشكل مصطنع إلى النبات إلى زيادة كثافة اللون، بل على العكس من ذلك، خفضتها. وبالمثل، في التداخل "العادي"، يمكن أن يؤدي تراكب موجتين إلى "إلغاء" متبادل.

في الخلية الحية، لا يتوقف تدفق المعلومات بين النواة والسيتوبلازم أبدًا، لكن فهم كل "دواماتها" وفك رموز المعلومات المشفرة فيها يعد حقًا مهمة شاقة. يمكن اعتبار أحد أهم الإنجازات في علم الأحياء في القرن الماضي اكتشاف جزيئات المعلومات (أو المصفوفة) RNA (mRNA أو mRNA)، التي تعمل كوسيط يحمل "رسائل" المعلومات من النواة (من الكروموسومات) إلى السيتوبلازم. . تم التنبؤ بالدور الحاسم للحمض النووي الريبوزي (RNA) في تخليق البروتين في عام 1939 في أعمال توربيورن كاسبرسون وجان براشيت وجاك شولتز، وفي عام 1971 أطلق جورج ماربايكس تخليق الهيموجلوبين في بويضات الضفادع عن طريق حقن الحمض النووي الريبي (RNA) المرسال للأرنب الذي يشفر هذا البروتين من أجل المرة الأولى.

في 1956-1957 في الاتحاد السوفيتي، أثبت A. N. Belozersky و A. S. Spirin بشكل مستقل وجود mRNA، واكتشفا أيضًا أن الجزء الأكبر من الحمض النووي الريبي (RNA) في الخلية ليس قالبًا، بل الحمض النووي الريبي الريباسي (rRNA). الريبوسوم RNA، النوع الثاني "الرئيسي" من الحمض النووي الريبي الخلوي، يشكل "الهيكل العظمي" والمركز الوظيفي للريبوسومات في جميع الكائنات الحية؛ إن الرنا الريباسي (وليس البروتينات) هو الذي ينظم المراحل الرئيسية لتخليق البروتين. في الوقت نفسه، تم وصف ودراسة النوع الثالث "الرئيسي" من الحمض النووي الريبي (RNA) - نقل الحمض النووي الريبي (tRNAs)، والذي يشكل بالاشتراك مع اثنين آخرين - mRNA وrRNA - مجمعًا واحدًا لتخليق البروتين. وفقا لفرضية "عالم الحمض النووي الريبوزي" (RNA World) المشهورة إلى حد ما، فإن هذا الحمض النووي هو الذي يكمن في أصول الحياة على الأرض.

نظرًا لحقيقة أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) أكثر محبة للماء مقارنة بالحمض النووي (بسبب استبدال الريبوز منقوص الأكسجين)، فهو أكثر قابلية للتغيير ويمكنه التحرك بحرية نسبيًا في الخلية، وبالتالي يقدم نسخًا متماثلة قصيرة العمر من المعلومات الوراثية (mRNA) إلى المكان الذي يبدأ فيه تخليق البروتين. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى "الإزعاج" المرتبط بهذا - الحمض النووي الريبي (RNA) غير مستقر للغاية. يتم تخزينه بشكل أسوأ بكثير من الحمض النووي (حتى داخل الخلية) ويتحلل عند أدنى تغيير في الظروف (درجة الحرارة، ودرجة الحموضة). بالإضافة إلى عدم الاستقرار "الخاص"، هناك مساهمة كبيرة تنتمي إلى الريبونوكلياز (أو RNases) - وهي فئة من إنزيمات تقسيم الحمض النووي الريبي (RNA) المستقرة جدًا و"المنتشرة في كل مكان" - حتى جلد يدي المجرب يحتوي على ما يكفي من هذه الإنزيمات لإبطالها. التجربة بأكملها. ولهذا السبب، يعد العمل مع الحمض النووي الريبوزي (RNA) أكثر صعوبة بكثير من التعامل مع البروتينات أو الحمض النووي (DNA)، حيث يمكن تخزين الأخير عمومًا لمئات الآلاف من السنين دون أي ضرر تقريبًا.

رعاية رائعة أثناء العمل، وثلاثي التقطير، والقفازات المعقمة، والأواني الزجاجية المختبرية التي تستخدم لمرة واحدة - كل هذا ضروري لمنع تدهور الحمض النووي الريبي (RNA)، ولكن الحفاظ على هذه المعايير لم يكن ممكنًا دائمًا. لذلك، لفترة طويلة، لم ينتبهوا ببساطة إلى "شظايا" قصيرة من الحمض النووي الريبي (RNA)، والتي تلوث المحاليل حتما. ومع ذلك، مع مرور الوقت، أصبح من الواضح أنه على الرغم من كل الجهود المبذولة للحفاظ على عقم منطقة العمل، استمر اكتشاف "الحطام" بشكل طبيعي، وبعد ذلك اتضح أن الآلاف من الـ RNA القصيرة المزدوجة الجديلة موجودة دائمًا في السيتوبلازم ، تؤدي وظائف محددة للغاية، وهي ضرورية للغاية للنمو الطبيعي للخلايا والكائنات الحية.

مبدأ تدخل الحمض النووي الريبي

اليوم، تعد دراسة الرناوات التنظيمية الصغيرة واحدة من أسرع مجالات البيولوجيا الجزيئية تطورًا. تم اكتشاف أن جميع الرناوات القصيرة تؤدي وظائفها بناءً على ظاهرة تسمى تداخل الرنا (جوهر هذه الظاهرة هو قمع التعبير الجيني في مرحلة النسخ أو الترجمة بالمشاركة النشطة لجزيئات الرنا الصغيرة). تظهر آلية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) بشكل تخطيطي للغاية في الشكل 1:

أرز. 1. أساسيات تداخل الحمض النووي الريبي (RNA).
جزيئات الحمض النووي الريبوزي المزدوج (dsRNA) غير شائعة في الخلايا الطبيعية، لكنها خطوة أساسية في دورة حياة العديد من الفيروسات. بروتين خاص يسمى Dicer، بعد أن اكتشف الرنا المزدوج الجديلة في الخلية، "يقطعه" إلى أجزاء صغيرة. يرتبط الشريط المضاد للتحسس لمثل هذه القطعة، والذي يمكن أن يسمى بالفعل RNA المتداخل القصير (siRNA، من siRNA - RNA التداخل الصغير)، بمركب من البروتينات يسمى RISC (مجمع إسكات الناجم عن RNA)، العنصر المركزي فيه هو نوكلياز داخلي لعائلة أرجونوت. يؤدي الارتباط بـ siRNA إلى تنشيط RISC ويؤدي إلى البحث في الخلية عن جزيئات DNA و RNA المكملة لـ siRNA "القالب". مصير هذه الجزيئات هو أن يتم تدميرها أو تعطيلها بواسطة مجمع RISC.

لتلخيص ذلك، تعمل "الطرق المختصرة" للحمض النووي الريبوزي المزدوج الأجنبي (بما في ذلك المدخل عمدًا) بمثابة "قالب" للبحث على نطاق واسع وتدمير الحمض النووي الريبي المرسال التكميلي (وهذا يعادل قمع التعبير عن الجين المقابل). ليس فقط في خلية واحدة، بل أيضًا في الخلايا المجاورة. بالنسبة للعديد من الكائنات الحية - البروتوزوا والرخويات والديدان والحشرات والنباتات - تعد هذه الظاهرة إحدى الطرق الرئيسية للدفاع المناعي ضد العدوى.

في عام 2006، حصل أندرو فاير وكريغ ميلو على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب "لاكتشافهما ظاهرة تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) - آلية إسكات الجينات بمشاركة الرنا المزدوج الجديلة". على الرغم من أن ظاهرة تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNA) نفسها قد تم وصفها قبل فترة طويلة (في أوائل الثمانينيات)، إلا أن عمل فاير وميلو هو الذي حدد الآلية التنظيمية للحمض النووي الريبي (RNA) الصغير وحدد مجالًا غير معروف حتى الآن من الأبحاث الجزيئية. فيما يلي النتائج الرئيسية لعملهم:

أثناء تداخل الحمض النووي الريبي (RNA)، يكون mRNA (وليس أي شيء آخر) هو الذي ينشق؛
يعمل الحمض النووي الريبوزي المزدوج (يسبب الانقسام) بكفاءة أكبر بكثير من الحمض النووي الريبي المفرد الذي تقطعت به السبل. تنبأت هاتان الملاحظتان بوجود نظام متخصص يتوسط في عمل الرنا المزدوج الجديلة؛
الرنا المزدوج الجديلة، المكمل لقسم من الرنا المرسال الناضج، يسبب انقسام الأخير. يشير هذا إلى توطين السيتوبلازم للعملية ووجود نوكلياز داخلي محدد.
كمية صغيرة من الرنا المزدوج الجديلة (عدة جزيئات لكل خلية) كافية "لإيقاف" الجين المستهدف تمامًا، مما يشير إلى وجود آلية متتالية للتحفيز و/أو التضخيم.

وضعت هذه النتائج الأساس لمجال كامل من البيولوجيا الجزيئية الحديثة - تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) - وحددت اتجاه عمل العديد من المجموعات البحثية حول العالم لعقود من الزمن. حتى الآن، تم اكتشاف ثلاث مجموعات كبيرة من RNAs الصغيرة التي تلعب في المجال الجزيئي باسم "فريق تدخل RNA". دعونا نتعرف عليهم بمزيد من التفصيل.

اللاعب رقم 1 - الحمض النووي الريبي (RNA) المتداخل القصير

يتم تحديد خصوصية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) عن طريق الحمض النووي الريبي (RNA) المتداخل القصير (siRNA) - جزيئات الحمض النووي الريبي الصغيرة المزدوجة الجديلة ذات بنية محددة بوضوح (انظر الشكل 2).

siRNAs هي الأقدم في التطور وهي الأكثر انتشارًا في النباتات والكائنات وحيدة الخلية واللافقاريات. في الفقاريات، لا يتم العثور على siRNAs بشكل طبيعي، لأنه تم استبدالها بـ "نماذج" لاحقة من RNAs القصيرة (انظر أدناه).

سيرنا - "قوالب" للبحث في السيتوبلازم وتدمير جزيئات الرنا المرسال - يبلغ طولها 20-25 نيوكليوتيدات و"ميزة خاصة": 2 نيوكليوتيدات غير متزاوجة في الأطراف 3' ونهايات مفسفرة 5'. سيرنا المضاد للتحسس قادر (ليس بمفرده بالطبع، ولكن بمساعدة مجمع RISC) على التعرف على الرنا المرسال والتسبب على وجه التحديد في تدهوره: يتم قطع الرنا المرسال المستهدف في الموقع الدقيق المكمل للنيوكليوتيدات العاشرة والحادية عشرة من الحمض النووي الريبوزي المرسال. سلسلة سيرنا المضادة للتحسس.

أرز. 2. آلية "التداخل" بين mRNA و siRNA
يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي القصيرة "المتداخلة" إما أن تدخل الخلية من الخارج أو يتم "قطعها" في مكانها من الحمض النووي الريبي المزدوج الأطول. البروتين الرئيسي المطلوب لقطع الرنا المزدوج الجديلة هو نوكلياز المقامر. يتم تنفيذ "إيقاف" الجين بواسطة آلية التداخل بواسطة siRNA مع مركب البروتين RISC، الذي يتكون من ثلاثة بروتينات - نوكلياز Ago2 واثنين من البروتينات المساعدة PACT وTRBP. تم اكتشاف لاحقًا أن مجمعات Dicer و RISC يمكن أن تستخدم كـ "بذرة" ليس فقط الرنا المزدوج الجديلة، ولكن أيضًا الرنا المفرد الذي تقطعت به السبل والذي يشكل دبوس شعر مزدوج، بالإضافة إلى سيرنا الجاهز (الأخير يتجاوز "القطع" المرحلة ويرتبط على الفور بـ RISC).

وظائف siRNAs في الخلايا اللافقارية متنوعة تمامًا. الشيء الأول والرئيسي هو الحماية المناعية. الجهاز المناعي "التقليدي" (الخلايا الليمفاوية + الكريات البيض + الخلايا البلعمية) موجود فقط في الكائنات المعقدة متعددة الخلايا. في الكائنات وحيدة الخلية، واللافقاريات والنباتات (التي إما لا تملك مثل هذا النظام أو أنها في مهدها)، يعتمد الدفاع المناعي على تدخل الحمض النووي الريبوزي (RNA). لا تتطلب المناعة القائمة على تدخل الحمض النووي الريبوزي (RNA) أعضاء "تدريبية" معقدة لسلائف الخلايا المناعية (الطحال والغدة الصعترية)؛ وفي الوقت نفسه، يرتبط تنوع تسلسلات الحمض النووي الريبي (RNA) القصيرة الممكنة نظريًا (421 متغيرًا) بعدد الأجسام المضادة البروتينية المحتملة للحيوانات الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع siRNAs على أساس الحمض النووي الريبي "المعادي" الذي أصاب الخلية، مما يعني، على عكس الأجسام المضادة، أنها "مصممة" على الفور لنوع معين من العدوى. وعلى الرغم من أن الحماية القائمة على تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) لا تعمل خارج الخلية (على الأقل، لا توجد مثل هذه البيانات حتى الآن)، إلا أنها توفر مناعة داخل الخلايا بشكل أكثر من مرض.

بادئ ذي بدء، يخلق siRNA مناعة مضادة للفيروسات عن طريق تدمير mRNA أو الحمض النووي الريبي الجينومي للكائنات المعدية (على سبيل المثال، هذه هي الطريقة التي تم بها اكتشاف siRNAs في النباتات). يؤدي إدخال الحمض النووي الريبي الفيروسي إلى تضخيم قوي لجزيئات siRNA محددة بناءً على الجزيء التمهيدي - الحمض النووي الريبي الفيروسي نفسه. بالإضافة إلى ذلك، تعمل siRNAs على قمع التعبير عن العديد من العناصر الجينية المتنقلة (MGEs)، وبالتالي توفر الحماية ضد "العدوى" الداخلية. غالبًا ما تؤدي الطفرات في جينات مجمع RISC إلى زيادة عدم استقرار الجينوم بسبب ارتفاع نشاط MGE؛ يمكن أن يعمل siRNA كمحدد للتعبير عن جيناته الخاصة، مما يؤدي إلى الاستجابة للتعبير الزائد عنها. تنظيم وظيفة الجينات يمكن أن يحدث ليس فقط على مستوى الترجمة، ولكن أيضًا أثناء النسخ - من خلال مثيلة الجينات في هيستون H3.

في علم الأحياء التجريبي الحديث، لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي الريبي (RNA) القصير. لقد تم تطوير تقنية "لإيقاف" (أو تعطيل) الجينات الفردية في المختبر (في مزارع الخلايا) وفي الجسم الحي (على الأجنة)، والتي أصبحت بالفعل معيارًا فعليًا عند دراسة أي جين. في بعض الأحيان، حتى من أجل تحديد دور الجينات الفردية في بعض العمليات، فإنها تقوم بشكل منهجي "بإيقاف" جميع الجينات بدورها.

أصبح الصيادلة أيضًا مهتمين بإمكانية استخدام siRNA، نظرًا لأن القدرة على تنظيم عمل الجينات الفردية على وجه التحديد تعد بآفاق غير مسبوقة في علاج مجموعة من الأمراض. الحجم الصغير والخصوصية العالية للعمل يعدان بفعالية عالية وسمية منخفضة للأدوية المعتمدة على siRNA؛ ومع ذلك، لم يكن من الممكن حتى الآن حل مشكلة توصيل siRNA إلى الخلايا المريضة في الجسم - ويرجع ذلك إلى هشاشة هذه الجزيئات وهشاشتها. وعلى الرغم من أن العشرات من الفرق تحاول الآن إيجاد طريقة لتوجيه هذه "الرصاصات السحرية" إلى الهدف بالضبط (داخل الأعضاء المريضة)، إلا أنها لم تحقق نجاحا ملحوظا بعد. وإلى جانب هذا، هناك صعوبات أخرى. على سبيل المثال، في حالة العلاج المضاد للفيروسات، يمكن أن تكون الانتقائية العالية لعمل siRNA ضارة - نظرًا لأن الفيروسات تتحور بسرعة، فإن السلالة المعدلة ستفقد بسرعة كبيرة حساسيتها تجاه siRNA الذي تم اختياره في بداية العلاج: من المعروف أن يؤدي استبدال نيوكليوتيد واحد فقط في سيرنا إلى انخفاض كبير في تأثير التداخل.

عند هذه النقطة، يجدر التذكير مرة أخرى - تم العثور على siRNAs فقط في النباتات واللافقاريات والكائنات وحيدة الخلية؛ على الرغم من وجود متجانسات البروتينات لتداخل الحمض النووي الريبي (Dicer، RISC complex) أيضًا في الحيوانات العليا، إلا أنه لم يتم اكتشاف siRNAs بالطرق التقليدية. يا لها من مفاجأة عندما تسببت نظائر siRNA الاصطناعية التي تم إدخالها بشكل مصطنع في إحداث تأثير قوي محدد يعتمد على الجرعة في مزارع خلايا الثدييات! وهذا يعني أنه في الخلايا الفقارية، لم يتم استبدال تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) بأجهزة مناعية أكثر تعقيدًا، ولكنه تطور جنبًا إلى جنب مع الكائنات الحية، وتحول إلى شيء أكثر "تقدمًا". وبالتالي، في الثدييات، كان من الضروري البحث ليس عن نظائرها الدقيقة للـ siRNAs، ولكن عن خلفائها التطوريين.

اللاعب رقم 2 – microRNA

في الواقع، استنادًا إلى الآلية القديمة التطورية لتداخل الحمض النووي الريبي (RNA)، طورت الكائنات الحية الأكثر تطورًا نظامين متخصصين للتحكم في عمل الجينات، كل منهما يستخدم مجموعته الخاصة من الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير - microRNA وpiRNA (RNA المتفاعل مع Piwi). ظهر كلا النظامين في الإسفنجيات والتجويفات المعوية وتطورا معًا، مما أدى إلى إزاحة سيرنا وآلية تدخل الحمض النووي الريبي "العاري". دورها في توفير المناعة آخذ في التناقص، حيث تم الاستيلاء على هذه الوظيفة من قبل آليات أكثر تقدما للمناعة الخلوية، على وجه الخصوص، نظام الإنترفيرون. ومع ذلك، فإن هذا النظام حساس للغاية لدرجة أنه يتم تحفيزه أيضًا بواسطة siRNA نفسه: ظهور RNA صغير مزدوج الجديلة في خلية الثدييات يطلق "إشارة إنذار" (ينشط إفراز الإنترفيرون ويسبب التعبير عن الجينات المعتمدة على الإنترفيرون)، مما يمنع جميع عمليات الترجمة بالكامل). في هذا الصدد، يتم التوسط في آلية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) في الحيوانات العليا بشكل أساسي بواسطة microRNAs وpiRNAs - وهي جزيئات مفردة ذات بنية محددة لا يتم اكتشافها بواسطة نظام الإنترفيرون.

عندما أصبح الجينوم أكثر تعقيدًا، أصبحت الـ microRNAs وpiRNAs تشارك بشكل متزايد في تنظيم النسخ والترجمة. وبمرور الوقت، تحولوا إلى نظام إضافي ودقيق ودقيق لتنظيم الجينوم. على عكس siRNA، لا يتم إنتاج microRNA وpiRNA (تم اكتشافهما في عام 2001، انظر الشكل 3، A-B) من جزيئات RNA الأجنبية المزدوجة الجديلة، ولكن يتم تشفيرهما مبدئيًا في جينوم الكائن الحي المضيف.

يتم نسخ سلائف microRNA من كلا شريطي الحمض النووي الجينومي بواسطة بوليميراز RNA II، مما يؤدي إلى ظهور شكل وسيط - pri-microRNA - الذي يحمل ميزات mRNA العادية - غطاء m7G وذيل polyA. تشكل هذه السلائف حلقة ذات ذيلين مفردين وعدة نيوكليوتيدات غير متزاوجة في المركز (الشكل 3A). تخضع مثل هذه الحلقة للمعالجة على مرحلتين (الشكل ب): أولاً، يقوم دروشا، وهو إنزيم نوكلياز داخلي، بقطع "ذيول" الحمض النووي الريبي (RNA) المفرد الذي تقطعت به السبل من دبوس الشعر، وبعد ذلك يتم تصدير دبوس الشعر المقطوع (ما قبل microRNA) إلى السيتوبلازم، حيث يتم يتم التعرف عليه بواسطة Dicer، الذي يقوم بإجراء قطعتين إضافيتين (يتم قطع مقطع مزدوج الجديلة، موضح باللون في الشكل 3A). في هذا النموذج، يتم تضمين microRNA الناضج، المشابه لـ siRNA، في مجمع RISC.

تشبه آلية عمل العديد من الرناوات الميكروية عمل الرناوات siRNAs: يرتبط الحمض النووي الريبوزي (RNA) المفرد الذي تقطعت به السبل (21-25 نيوكليوتيدات) كجزء من مجمع البروتين RISC بخصوصية عالية بالموقع التكميلي في المنطقة غير المترجمة 3' من الهدف مرنا. يؤدي الارتباط إلى انقسام mRNA بواسطة بروتين Ago. ومع ذلك، فإن نشاط microRNA (مقارنةً بـ siRNA) هو بالفعل أكثر تمايزًا - إذا لم يكن التكامل مطلقًا، فقد لا يتحلل mRNA المستهدف، ولكن يتم حظره بشكل عكسي فقط (لن تكون هناك ترجمة). يمكن لمجمع RISC نفسه أيضًا استخدام siRNAs المُدخلة بشكل مصطنع. وهذا ما يفسر سبب نشاط siRNAs الناتج عن البروتوزوا أيضًا في الثدييات.

وبالتالي، يمكننا استكمال الرسم التوضيحي لآلية عمل تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) في الكائنات الحية الأعلى (المتماثلة ثنائيًا) من خلال الجمع في شكل واحد بين مخطط عمل microRNAs وsiRNAs المقدمة بالتكنولوجيا الحيوية (الشكل 3B).

أرز. 3A: هيكل جزيء سلائف microRNA مزدوج الجديلة
السمات الرئيسية: وجود تسلسلات محفوظة تشكل دبوس الشعر؛ وجود نسخة تكميلية (microRNA*) مع اثنين من النيوكليوتيدات "الإضافية" في النهاية 3'؛ تسلسل محدد (2-8 bp) يشكل موقعًا للتعرف على النواة النووية. يتم تمييز microRNA نفسه باللون الأحمر، وهو ما يقطعه Dicer.

أرز. 3ب: الآلية العامة لمعالجة microRNA وتنفيذ نشاطه

أرز. 3B: المخطط العام لعمل الرنا الميكروي الاصطناعي والحمض الريبي النووي (siRNAs).
يتم إدخال siRNAs الاصطناعي في الخلية باستخدام البلازميدات المتخصصة (التي تستهدف ناقلات siRNA).

وظائف الرنا الميكروي

الوظائف الفسيولوجية للmicroRNAs متنوعة للغاية - في الواقع، فهي بمثابة المنظمين الرئيسيين غير البروتينيين لتكوين الجينات. لا تلغي microRNAs، ولكنها تكمل المخطط "الكلاسيكي" لتنظيم الجينات (المحفزات، والقامعات، وضغط الكروماتين، وما إلى ذلك). بالإضافة إلى ذلك، يتم تنظيم تخليق microRNAs نفسها بشكل معقد (يمكن تشغيل مجموعات معينة من microRNAs بواسطة الإنترفيرونات والإنترلوكينات وعامل نخر الورم α (TNF-α) والعديد من السيتوكينات الأخرى). ونتيجة لذلك، تظهر شبكة متعددة المستويات لضبط "أوركسترا" من آلاف الجينات، مذهلة في تعقيدها ومرونتها، لكن الأمر لا ينتهي عند هذا الحد.

تعد الرناوات الميكروية أكثر "عالمية" من الرناوات siRNA: لا يجب أن تكون الجينات "الجناحية" متكاملة بنسبة 100٪ - ويتم التنظيم أيضًا من خلال التفاعل الجزئي. اليوم، أحد أهم المواضيع في البيولوجيا الجزيئية هو البحث عن microRNAs التي تعمل كمنظم بديل للعمليات الفسيولوجية المعروفة. على سبيل المثال، تم بالفعل وصف microRNAs المشاركة في تنظيم دورة الخلية وموت الخلايا المبرمج في النباتات، وذبابة الفاكهة والديدان الخيطية؛ في البشر، تنظم الرناوات الدقيقة جهاز المناعة وتطور الخلايا الجذعية المكونة للدم. أظهر استخدام التقنيات المعتمدة على الرقاقة الحيوية (فحص المصفوفات الدقيقة) أن مجموعات كاملة من الرناوات الصغيرة يتم تشغيلها وإيقافها في مراحل مختلفة من حياة الخلية. تم تحديد العشرات من جزيئات microRNA المحددة للعمليات البيولوجية، والتي يتغير مستوى التعبير عنها في ظل ظروف معينة آلاف المرات، مما يؤكد القدرة الاستثنائية على التحكم في هذه العمليات.

حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن الرنا الميكروي يقمع فقط عمل الجينات – كليًا أو جزئيًا. ومع ذلك، فقد تبين مؤخرًا أن عمل microRNAs يمكن أن يختلف جذريًا اعتمادًا على حالة الخلية! في الخلية التي تنقسم بشكل نشط، يرتبط microRNA بتسلسل تكميلي في المنطقة 3' من mRNA ويمنع تخليق البروتين (الترجمة). ومع ذلك، في حالة الراحة أو التوتر (على سبيل المثال، عند النمو في بيئة سيئة)، يؤدي نفس الحدث إلى التأثير المعاكس تمامًا - زيادة تخليق البروتين المستهدف!

تطور microRNA

لم يتم بعد تحديد عدد أصناف microRNA في الكائنات العليا بشكل كامل وفقًا لبعض البيانات، فهو يتجاوز 1٪ من عدد جينات ترميز البروتين (في البشر، على سبيل المثال، يقولون أن هناك 700 microRNA، وهذا العدد هو: في تزايد مستمر). تنظم الرناوات الدقيقة نشاط حوالي 30% من جميع الجينات (الأهداف بالنسبة للعديد منها غير معروفة بعد)، وهناك جزيئات منتشرة في كل مكان وجزيئات خاصة بالأنسجة - على سبيل المثال، إحدى هذه المجموعات المهمة من الرناوات الدقيقة تنظم نضوج جذع الدم. الخلايا.

يشير ملف تعريف التعبير الواسع في الأنسجة المختلفة للكائنات الحية المختلفة والانتشار البيولوجي للـ microRNAs إلى أصل تطوري قديم. تم اكتشاف MicroRNA لأول مرة في الديدان الخيطية، ولفترة طويلة كان يعتقد أن هذه الجزيئات تظهر فقط في الإسفنج والتجويفات المعوية؛ ومع ذلك، تم اكتشافها لاحقًا في الطحالب وحيدة الخلية. ومن المثير للاهتمام، أنه عندما تصبح الكائنات الحية أكثر تعقيدًا، يزداد أيضًا عدد وعدم تجانس تجمع miRNA. يشير هذا بشكل غير مباشر إلى أن تعقيد هذه الكائنات يتم توفيره، على وجه الخصوص، من خلال عمل microRNAs. يظهر الشكل 4 التطور المحتمل لل miRNAs.

أرز. 4. تنوع الرنا الميكروي في الكائنات الحية المختلفة
كلما زاد تنظيم الجسم، زاد عدد الرنا الميكروي فيه (الرقم بين قوسين). يتم تمييز الأنواع التي تم العثور فيها على microRNAs باللون الأحمر. وفق .

يمكن استخلاص علاقة تطورية واضحة بين siRNA وmicroRNA، بناءً على الحقائق التالية:

عمل كلا النوعين قابل للتبادل ويتم بوساطة بروتينات متماثلة.
يتم إدخال siRNAs في خلايا الثدييات على وجه التحديد "لإيقاف" الجينات المرغوبة (على الرغم من بعض التنشيط للحماية من الإنترفيرون)؛
يتم اكتشاف microRNAs في المزيد والمزيد من الكائنات الحية القديمة.

تشير هذه البيانات وغيرها إلى أصل كلا النظامين من "سلف" مشترك. ومن المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن مناعة "الحمض النووي الريبوزي" كسلائف مستقلة للأجسام المضادة البروتينية تؤكد نظرية أصل الأشكال الأولى للحياة القائمة على الحمض النووي الريبي (RNA)، وليس البروتينات (تذكر أن هذه هي النظرية المفضلة للأكاديمي أ.س. سبيرين) .

وفي حين لم يكن هناك سوى "لاعبين" اثنين فقط في مجال البيولوجيا الجزيئية ــ siRNA وmicroRNA ــ فإن "الغرض" الرئيسي من تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) بدا واضحاً تماماً. في الواقع: مجموعة من الرناوات القصيرة والبروتينات المتماثلة في كائنات مختلفة تقوم بأعمال مماثلة؛ عندما تصبح الكائنات الحية أكثر تعقيدًا، كذلك تصبح الوظائف.

ومع ذلك، في عملية التطور، خلقت الطبيعة نظامًا آخر، أحدث تطوريًا وعالي التخصص، يعتمد على نفس المبدأ الناجح لتداخل الحمض النووي الريبي (RNA). نحن نتحدث عن piRNA (piRNA، من RNA التفاعلي مع Piwi).

كلما كان تنظيم الجينوم أكثر تعقيدًا، كلما كان الكائن الحي أكثر تطورًا وتكيفًا (أو العكس؟ ؛-). ومع ذلك، فإن زيادة تعقيد الجينوم لها أيضًا جانب سلبي: حيث يصبح النظام الجيني المعقد غير مستقر. وهذا يؤدي إلى الحاجة إلى آليات مسؤولة عن الحفاظ على سلامة الجينوم - وإلا فإن "الخلط" التلقائي للحمض النووي سيؤدي ببساطة إلى تعطيله. العناصر الجينية المتنقلة (MGEs)، أحد العوامل الرئيسية لعدم استقرار الجينوم، هي مناطق قصيرة غير مستقرة يمكن نسخها بشكل مستقل والانتقال عبر الجينوم. يؤدي تنشيط هذه العناصر القابلة للنقل إلى حدوث تكسرات متعددة في الحمض النووي في الكروموسومات، مما قد يكون له عواقب مميتة.

يزداد عدد MGEs بشكل غير خطي مع حجم الجينوم، ويجب احتواء نشاطها. للقيام بذلك، تستخدم الحيوانات، بدءًا من التجويفات المعوية، نفس ظاهرة تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNA). يتم تنفيذ هذه الوظيفة أيضًا بواسطة RNAs القصيرة، ولكن ليس تلك التي تمت مناقشتها بالفعل، ولكن نوع ثالث منها - piRNAs.

"صورة" للبيرنا

piRNAs عبارة عن جزيئات قصيرة يبلغ طولها 24-30 نيوكليوتيدات، مشفرة في المناطق المركزية والتيلوميرية من الكروموسوم. تسلسلات العديد منها مكملة للعناصر الجينية المتنقلة المعروفة، ولكن هناك العديد من جزيئات piRNA الأخرى التي تتزامن مع مناطق الجينات العاملة أو مع أجزاء الجينوم التي وظائفها غير معروفة.

يتم تشفير piRNAs (وكذلك microRNAs) في كلا شريطي الحمض النووي الجينومي؛ فهي متغيرة ومتنوعة للغاية (ما يصل إلى 500000 (!) نوع في كائن حي واحد). على عكس siRNAs وmicroRNAs، فإنها تتشكل من سلسلة واحدة ذات خاصية مميزة - اليوراسيل (U) عند نهاية 5' ونهاية ميثيلية 3'. هناك اختلافات أخرى:

على عكس siRNAs وmicroRNAs، فإنها لا تتطلب المعالجة بواسطة Dicer؛
تنشط جينات piRNA فقط في الخلايا الجرثومية (أثناء التطور الجنيني) والخلايا البطانية المحيطة بها؛
يختلف تكوين البروتين في نظام piRNA - فهذه نوويات داخلية من فئة Piwi (Piwi و Aub) ومجموعة منفصلة من Argonaute - Ago3.

لا تزال معالجة ونشاط piRNAs غير مفهومة بشكل جيد، ولكن من الواضح بالفعل أن آلية العمل مختلفة تمامًا عن RNAs القصيرة الأخرى - اليوم تم اقتراح نموذج بينج بونج لعملهم (الشكل 5 أ، ب).

آلية بينج بونج للتكوين الحيوي للبيرنا

أرز. 5A: الجزء السيتوبلازمي من معالجة البيرنا
يتم التوسط في التولد الحيوي ونشاط piRNAs بواسطة عائلة Piwi من نوكليازات داخلية (Ago3، Aub، Piwi). يتم توفير نشاط piRNA بواسطة كل من جزيئات piRNA المفردة - الحسية والمضادة - والتي يرتبط كل منها بنواة نوكلياز Piwi محددة. يتعرف الـpiRNA على المنطقة التكميلية للmRNA الناقل (الشريط الأزرق) ويقطعها. لا يؤدي هذا إلى تعطيل الترانسبوزون فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى إنشاء piRNA جديد (مرتبط بـ Ago3 عبر مثيلة الطرف 3' بواسطة Hen1 methylase). يتعرف هذا الـ piRNA بدوره على الـ mRNA مع نصوص من مجموعة سلائف الـ piRNA (الشريط الأحمر) - وبهذه الطريقة يتم إغلاق الدورة ويتم إنتاج الـ piRNA المطلوب مرة أخرى.

أرز. 5B: البيرنا في النواة
بالإضافة إلى نوكلياز Aub، يمكن أن يرتبط نوكلياز Piwi أيضًا بـ piRNA المضاد للفيروسات. بعد الارتباط، يهاجر المركب إلى النواة، حيث يتسبب في تدهور النسخ التكميلية وإعادة ترتيب الكروماتين، مما يتسبب في قمع نشاط الترانسبوزون.

وظائف البيرنا

تتمثل الوظيفة الرئيسية للـ piRNA في قمع نشاط MGE على مستوى النسخ والترجمة. من المعتقد أن piRNAs تنشط فقط أثناء مرحلة التطور الجنيني، عندما يكون خلط الجينوم غير المتوقع خطيرًا بشكل خاص ويمكن أن يؤدي إلى وفاة الجنين. وهذا أمر منطقي - عندما لا يبدأ الجهاز المناعي في العمل بعد، تحتاج خلايا الجنين إلى نوع من الحماية البسيطة والفعالة. تتم حماية الجنين بشكل موثوق من مسببات الأمراض الخارجية بواسطة المشيمة (أو قشرة البيضة). ولكن بالإضافة إلى ذلك، يعد الدفاع ضروريًا أيضًا ضد الفيروسات الداخلية (الداخلية)، وخاصة فيروس MGE.

تم تأكيد دور piRNA هذا من خلال التجربة - تؤدي "الضربة القاضية" أو طفرات جينات Ago3 أو Piwi أو Aub إلى اضطرابات نمو خطيرة (وزيادة حادة في عدد الطفرات في جينوم مثل هذا الكائن الحي)، كما تسبب أيضًا العقم بسبب تعطيل تطور الخلايا الجرثومية.

توزيع وتطور piRNAs

تم العثور على أول piRNAs بالفعل في شقائق النعمان البحرية والإسفنج. من الواضح أن النباتات اتخذت مسارًا مختلفًا - لم يتم العثور على بروتينات Piwi فيها، ويتم تنفيذ دور "الكمامة" للينقولات بواسطة نوكلياز Ago4 وsiRNA.

في الحيوانات العليا، بما في ذلك البشر، تم تطوير نظام piRNA بشكل جيد للغاية، ولكن لا يمكن العثور عليه إلا في الخلايا الجنينية وفي البطانة السلوية. يبقى أن نرى لماذا يكون توزيع الـ piRNA في الجسم محدودًا للغاية. يمكن الافتراض أنه، مثل أي سلاح قوي، تكون piRNAs مفيدة فقط في ظل ظروف محددة للغاية (أثناء نمو الجنين)، وفي الجسم البالغ، فإن نشاطها سوف يسبب ضررًا أكثر من نفعه. ومع ذلك، فإن عدد جزيئات piRNA أكبر من عدد البروتينات المعروفة، ومن الصعب التنبؤ بالتأثيرات غير المحددة لجزيئات piRNA في الخلايا الناضجة.

جدول محوري. خصائص جميع الفئات الثلاث من الرنا القصير

	سيرنا	ميكرورنا	بيرنا
الانتشار	النباتات, ذبابة الفاكهة, جيم ايليجانس. غير موجود في الفقاريات	حقيقيات النوى	الخلايا الجنينية للحيوانات (بدءًا بالتجويفات المعوية). ليس في الأوليات والنباتات
طول	21-22 نيوكليوتيدات	19-25 نيوكليوتيدات	24-30 نيوكليوتيدات
بناء	مزدوجة الجديلة، 19 نيوكليوتيدات تكميلية واثنين من النيوكليوتيدات غير المتزاوجة في النهاية 3'	هيكل معقد ذو سلسلة واحدة	هيكل معقد ذو سلسلة واحدة. ش عند نهاية 5'، 2'- يا- ميثيل 3' نهاية
يعالج	تعتمد على المقامر	تعتمد على المقامر	المقامر مستقل
نوكليازات داخلية	منذ 2	منذ 1، منذ 2	Ago3، بيوي، أوب
نشاط	تدهور الرنا المرسال التكميلي، أستلة الحمض النووي الجينومي	تدهور أو تثبيط ترجمة الرنا المرسال المستهدف	تدهور ترميز mRNA MGE، وتنظيم نسخ MGE
الدور البيولوجي	الدفاع المناعي المضاد للفيروسات، وقمع نشاط الجينات الخاصة بالفرد	تنظيم نشاط الجينات	قمع نشاط MGE أثناء مرحلة التطور الجنيني

خاتمة

في الختام، أود أن أقدم جدولًا يوضح تطور جهاز البروتين المشارك في تداخل الحمض النووي الريبوزي (الشكل 6). يمكن ملاحظة أن الأوليات لديها نظام siRNA الأكثر تطورًا (عائلات البروتين Ago، Dicer)، وبما أن الكائنات الحية تصبح أكثر تعقيدًا، ينتقل التركيز إلى أنظمة أكثر تخصصًا - عدد الأشكال الإسوية البروتينية لـ microRNA (Drosha، Pasha) وpiRNA ( Piwi، Hen1) يزيد. وفي الوقت نفسه، يتناقص تنوع الإنزيمات التي تتوسط عمل سيرنا.

أرز. 6. تنوع البروتينات المشاركة في تداخل الحمض النووي الريبي (RNA). و
تشير الأرقام إلى عدد البروتينات في كل مجموعة. يتم تمييز العناصر المميزة لـ siRNA وmicroRNA باللون الأزرق، ويتم تمييز البروتينات المرتبطة بـ piRNA باللون الأحمر. وفق .

بدأ استخدام ظاهرة تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) من قبل أبسط الكائنات الحية. وبناءً على هذه الآلية، خلقت الطبيعة نموذجًا أوليًا لجهاز المناعة، ومع ازدياد تعقيد الكائنات الحية، يصبح تدخل الحمض النووي الريبوزي (RNA) منظمًا لا غنى عنه لنشاط الجينوم. آليتان مختلفتان بالإضافة إلى ثلاثة أنواع من RNAs القصيرة (انظر الجدول الموجز) - ونتيجة لذلك، نرى الآلاف من المنظمات الدقيقة لمختلف المسارات الأيضية والوراثية. توضح هذه الصورة المذهلة التنوع والتكيف التطوري للأنظمة البيولوجية الجزيئية. تثبت RNAs القصيرة مرة أخرى أنه لا توجد "أشياء صغيرة" داخل الخلية - لا يوجد سوى جزيئات صغيرة، وقد بدأنا للتو في فهم أهميتها الكاملة.

صحيح أن هذا التعقيد المذهل يشير إلى أن التطور "أعمى" ويعمل دون "خطة رئيسية" معتمدة مسبقًا.

الأدب

جوردون جي بي، لين سي دي، وودلاند إتش آر، ماربايكس جي (1971). استخدام بيض الضفادع والبويضات لدراسة الحمض النووي الريبي المرسال وترجمته في الخلايا الحية. الطبيعة 233، 177-182؛
سبيرين إيه إس (2001). التخليق الحيوي للبروتين، وعالم الحمض النووي الريبي (RNA)، وأصل الحياة. نشرة الأكاديمية الروسية للعلوم 71، 320-328؛
العناصر: "يمكن الآن استخلاص جينومات الميتوكوندريا الكاملة للحيوانات المنقرضة من الشعر"؛
Fire A.، Xu S.، Montgomery M.K.، Kostas S.A.، Driver S.E.، Mello C.C. (1998). التداخل الجيني القوي والمحدد بواسطة الحمض النووي الريبي المزدوج تقطعت بهم السبل التهاب الربداء الرشيقة. الطبيعة 391، 806-311؛
الجزيء الحيوي: "تم اكتشاف MicroRNAs لأول مرة في كائن وحيد الخلية"؛
كوفي س.، الكاف ن.، لانجارا أ.، تيرنر د. (1997). تقاوم النباتات العدوى عن طريق إسكات الجينات. الطبيعة 385، 781-782؛
الجزيء الحيوي: "التعامل المزدوج الجزيئي: الجينات البشرية تعمل من أجل فيروس الأنفلونزا"؛
رن ب. (2010). النسخ: المعززات تصنع RNA غير مشفر. طبيعة 465، 173-174؛
تاغانوف ك.د.، بولدين إم.بي.، تشانغ ك.جي.، بالتيمور د. (2006). الحث المعتمد على NF-κB لـ microRNA miR-146، وهو مثبط يستهدف بروتينات الإشارة للاستجابات المناعية الفطرية. بروك. ناتل. أكاد. الخيال العلمي. الولايات المتحدة الأمريكية. 103, 12481-12486;
O'Connell R. M.، Rao D. S.، Chaudhuri A. A.، Boldin M. P.، Taganov K. D.، Nicoll J.، Paquette R. L.، Baltimore D. (2008). التعبير المستدام عن microRNA-155 في الخلايا الجذعية المكونة للدم يسبب اضطراب تكاثر النخاع. جي إكسب. ميد. 205، 585-594؛
الجزيء الحيوي: "microRNA - كلما توغلت في الغابة، زاد عدد الحطب"؛
العناصر: "إن تعقيد الجسم في الحيوانات القديمة ارتبط بظهور جزيئات تنظيمية جديدة"؛
غريمسون أ.، سريفاستافا إم.، فاهي بي.، وودكروفت بي.جي.، شيانغ إتش.آر.، كينغ إن.، ديجنان بي.إم.، روكسار دي.إس.، بارتيل دي.بي. (2008). الأصول المبكرة وتطور الـ microRNAs والـ RNA المتفاعل مع Piwi في الحيوانات. طبيعة 455، 1193-1197.
أرافين أ.، هانون ج.، برينيك ج. (2007). يوفر مسار Piwi-piRNA دفاعًا تكيفيًا في سباق تسلح الترانسبوزون. العلوم 318، 761-764؛
الجزيء الحيوي: "

RNAs الصغيرة التي تشكل دبابيس الشعر، أو RNAs القصيرة التي تشكل دبابيس الشعر (shRNA short hairpin RNA، Small hairpin RNA) جزيئات من RNAs قصيرة تشكل دبابيس شعر كثيفة في البنية الثانوية. يمكن استخدام ShRNAs لإيقاف التعبير... ... ويكيبيديا

بوليميريز الحمض النووي الريبي- من خلية T. aquaticus أثناء التكاثر. تصبح بعض عناصر الإنزيم شفافة، وتكون سلاسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي (DNA) أكثر وضوحًا. يقع أيون المغنيسيوم (الأصفر) في الموقع النشط للإنزيم. بوليميريز RNA هو إنزيم ينفذ ... ... ويكيبيديا

تدخل الحمض النووي الريبي- تسليم RNAs الصغيرة التي تحتوي على دبابيس الشعر باستخدام ناقل قائم على الفيروس البطيء وآلية تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) في خلايا الثدييات تدخل الحمض النووي الريبي (أ ... ويكيبيديا

جين الحمض النووي الريبي- الحمض النووي الريبي غير المشفر (ncRNA) عبارة عن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي لا يتم ترجمتها إلى بروتينات. لم يعد المرادف المستخدم سابقًا، RNA الصغير (smRNA، RNA الصغير)، مستخدمًا، نظرًا لأن بعض RNAs غير المشفرة يمكن أن تكون شديدة ... ... ويكيبيديا

RNAs النووية الصغيرة- (snRNA, snRNA) فئة من الحمض النووي الريبي (RNA) توجد في نواة الخلايا حقيقية النواة. يتم نسخها بواسطة بوليميريز RNA II أو بوليميريز RNA III وتشارك في عمليات مهمة مثل الربط (إزالة الإنترونات من mRNA غير الناضج)، والتنظيم ... ويكيبيديا

RNAs النووية الصغيرة- (snoRNA، الإنجليزية snoRNA) فئة من الرناوات الصغيرة المشاركة في التعديلات الكيميائية (الميثيل والتحلل الكاذب) للحمض النووي الريبي الريباسي، وكذلك الحمض الريبي النووي النقال والحمض النووي الريبي النووي الصغير. وفقًا لتصنيف MeSH، تعتبر الرناوات النووية الصغيرة مجموعة فرعية... ... ويكيبيديا

RNAs النووية الصغيرة (منخفضة الوزن الجزيئي).- مجموعة واسعة (105,106) من الحمض النووي الريبي النووي الصغير (100,300 نيوكليوتيدات)، المرتبطة بالحمض النووي الريبي النووي غير المتجانس، هي جزء من حبيبات البروتين النووي الريبي الصغيرة للنواة؛ M.n.RNAs هي عنصر ضروري في نظام الربط... ...

RNA السيتوبلازمي الصغير- جزيئات RNA صغيرة (100-300 نيوكليوتيد) متوضعة في السيتوبلازم، تشبه جزيئات RNA النووية الصغيرة. [أريفيف ف.أ.، ليسوفينكو إل.أ. القاموس التوضيحي الإنجليزي-الروسي للمصطلحات الوراثية 1995 407 ص.] موضوعات علم الوراثة EN scyrpssmall السيتوبلازم... ... دليل المترجم الفني

فئة U RNAs النووية الصغيرة- مجموعة من جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الصغيرة المرتبطة بالبروتين (من 60 إلى 400 نيوكليوتيدات) والتي تشكل جزءًا كبيرًا من محتويات الضفيرة وتشارك في عملية استئصال الإنترونات. في 4 من أنواع Usn الخمسة المدروسة جيدًا، يوجد RNAs U1 وU2 وU4 وU5 بـ 5... ... دليل المترجم الفني

المؤشرات الحيوية للحمض النووي الريبي (RNA).- * المؤشرات الحيوية للـ RNA * المؤشرات الحيوية للـ RNA هي عدد كبير من النسخ البشرية التي لا تشفر تخليق البروتين (nsbRNA أو npcRNA). في معظم الحالات، تكون جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الصغيرة (miRNA، snoRNA) والطويلة (RNA المضاد للاتجاه، dsRNA وأنواع أخرى)... ... علم الوراثة. القاموس الموسوعي

كتب

الشراء بـ 1877 غريفنا (أوكرانيا فقط)
الوراثة السريرية. كتاب مدرسي (+CD)، بوشكوف نيكولاي بافلوفيتش، بوزيريف فاليري بافلوفيتش، سميرنيخينا سفيتلانا أناتوليفنا. تمت مراجعة جميع الفصول واستكمالها فيما يتعلق بتطور العلوم والممارسات الطبية. الفصول المتعلقة بالأمراض المتعددة العوامل، والوقاية، وعلاج الأمراض الوراثية،...

مقال لمسابقة “بيو/مول/نص”: في السنوات الأخيرة، اجتذب الحمض النووي الريبوزي - وخاصة أصنافه "غير الكلاسيكية" - انتباه علماء الأحياء في جميع أنحاء العالم. لقد اتضح أن التنظيم بواسطة RNAs غير المشفر منتشر على نطاق واسع - من الفيروسات والبكتيريا إلى البشر. أظهرت دراسة تنوع منظمات الحمض النووي الريبي (RNA) البكتيرية الصغيرة بوضوح دورها المهم في كل من عملية التمثيل الغذائي الوسيط والاستجابات التكيفية. توضح هذه المقالة أنواع RNAs الصغيرة من البكتيريا والآليات التنظيمية التي يتم تنفيذها بمساعدتها. ويتم التركيز بشكل خاص على دور هذه الجزيئات في حياة العوامل البكتيرية التي تسبب التهابات خطيرة بشكل خاص.

الحمض النووي الريبوزي: أكثر من مجرد نسخة من الحمض النووي

لقد عرف معظم قراء هذا الموقع الآليات الأساسية للخلية الحية منذ المدرسة. في دورات علم الأحياء، بدءًا من قوانين مندل وحتى مشاريع تسلسل الجينوم المتطورة، يمر خيط مشترك عبر فكرة برنامج وراثي كبير لتطوير كائن حي، يعرفه علماء الأحياء المحترفون باسم العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية. تنص على أن جزيء الحمض النووي يعمل كحامل وحارس للمعلومات الوراثية، والتي، من خلال وسيط - messenger RNA (mRNA)، وبمشاركة الريبوسوم (rRNA) ونقل RNA (tRNA)، - تتحقق في الشكل من البروتينات. هذا الأخير يحدد الأنواع والنمط الظاهري الفردي.

استمر هذا الوضع وتكليف الحمض النووي الريبي (RNA) بدور مشارك ثانوي في الأداء الجزيئي في المجتمع العلمي حتى الثمانينيات من القرن الماضي. إن عمل T. Chek، الذي أظهر أن الحمض النووي الريبي (RNA) يمكن أن يعمل كمحفز للتفاعلات الكيميائية، أجبرنا على إلقاء نظرة فاحصة على الحمض النووي الريبي (RNA). في السابق، كان يعتقد أن تسريع العمليات الكيميائية في الخلية هو من اختصاص الإنزيمات التي هي في الطبيعة بروتينات حصرية. كان لاكتشاف النشاط التحفيزي في الحمض النووي الريبي (RNA) عواقب بعيدة المدى - جنبًا إلى جنب مع الأعمال النظرية السابقة لـ K. Woese، وقد جعل من الممكن رسم صورة محتملة للتطور قبل الحيوي على كوكبنا. والحقيقة هي أنه منذ اكتشاف وظيفة الحمض النووي كحامل للمعلومات الوراثية، فإن معضلة ما ظهر سابقًا في مسار التطور - الحمض النووي أو البروتين الضروري لتكاثر الحمض النووي - بدت فلسفية تقريبًا (أي لا معنى لها). كالسؤال عن أسبقية مظهر الدجاجة أم البيضة. بعد اكتشاف T. Chek، اتخذ الحل شكلا حقيقيا للغاية - تم العثور على جزيء له خصائص كل من حامل المعلومات والمحفز الحيوي (وإن كان في شكله البدائي). وبمرور الوقت، تطورت هذه الدراسات إلى اتجاه كامل في علم الأحياء، حيث تدرس أصل الحياة من خلال منظور ما يسمى بـ "عالم الحمض النووي الريبوزي".

لذلك أصبح من الواضح أن عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA) القديم يمكن أن يكون مرتبطًا بأصل الحياة الأولية وازدهارها. ومع ذلك، لا يترتب على ذلك تلقائيًا أن الحمض النووي الريبي (RNA) في الكائنات الحية الحديثة ليس عتيقًا يتكيف مع احتياجات الأنظمة الجزيئية داخل الخلايا، ولكنه مشارك مهم حقًا في المجموعة الجزيئية للخلية. فقط تطوير الأساليب الجزيئية - على وجه الخصوص، تسلسل الحمض النووي - أظهر أن الحمض النووي الريبي (RNA) لا يمكن استبداله حقًا في الخلية، وليس فقط في شكل الثالوث الكنسي "mRNA، rRNA، tRNA". بالفعل، أشارت البيانات الشاملة الأولى حول تسلسل الحمض النووي إلى حقيقة بدت في البداية صعبة التفسير - وتبين أن معظمها كان كذلك. غير الترميز- أي أنها لا تحمل معلومات حول جزيئات البروتين أو الحمض النووي الريبي "القياسي". بالطبع، يمكن أن يُعزى ذلك جزئيًا إلى "الحطام الجيني" - "معطل" أو شظايا الجينوم المفقودة. لكن توفير مثل هذا القدر من "المهر" للأنظمة البيولوجية التي تحاول إنفاق الطاقة باعتدال يبدو غير منطقي.

في الواقع، مكنت طرق البحث الأكثر تفصيلاً ودقيقة من اكتشاف فئة كاملة من منظمات الحمض النووي الريبي (RNA) للتعبير الجيني، والتي تملأ الفراغ بين الجينات جزئيًا. حتى قبل قراءة التسلسل الكامل للجينومات حقيقية النواة في الديدان المستديرة جيم ايليجانستم عزل microRNAs - جزيئات صغيرة (حوالي 20 نيوكليوتيدات) يمكنها الارتباط بشكل خاص بمناطق mRNA وفقًا لمبدأ التكامل. من السهل تخمين أنه في مثل هذه الحالات، لم يعد من الممكن قراءة المعلومات حول البروتينات المشفرة باستخدام mRNA: فالريبوسوم ببساطة لا يستطيع "الركض" عبر مثل هذا الموقع الذي أصبح فجأة مزدوجًا. تسمى هذه الآلية لقمع التعبير الجيني تدخل الحمض النووي الريبي، تم بالفعل تحليلها على "الجزيء الحيوي" بتفاصيل كافية. حتى الآن، تم اكتشاف الآلاف من جزيئات microRNA وغيرها من RNAs غير المشفرة (piRNA، snoRNA، nanoRNA، وما إلى ذلك). في حقيقيات النوى (بما في ذلك البشر)، فإنها تقع في مناطق بين الجينات. وقد تم إثبات دورها المهم في تمايز الخلايا، والتسرطن، والاستجابة المناعية وغيرها من العمليات والأمراض.

تعتبر الرناوات الصغيرة بمثابة حصان طروادة للبروتينات البكتيرية

على الرغم من حقيقة أن الحمض النووي الريبي (RNA) غير المشفر للبروتين في البكتيريا تم اكتشافه في وقت أبكر بكثير من أول منظمات مماثلة في حقيقيات النوى، إلا أن دورها في استقلاب الخلية البكتيرية كان محجوبًا لفترة طويلة من قبل المجتمع العلمي. هذا أمر مفهوم - تقليديا، تعتبر الخلية البكتيرية للباحث بنية أكثر بدائية وأقل غموضا، ولا يمكن مقارنة تعقيدها بتراكم الهياكل في خلية حقيقية النواة. علاوة على ذلك، في الجينومات البكتيرية، لا يشكل محتوى المعلومات غير المشفرة سوى نسبة قليلة من إجمالي طول الحمض النووي، ويصل إلى حد أقصى قدره 40% في بعض المتفطرات. ولكن، نظرًا لوجود microRNAs حتى في الفيروسات، فيجب أن تلعب دورًا تنظيميًا مهمًا في البكتيريا، بل وأكثر من ذلك.

اتضح أن بدائيات النوى لديها عدد لا بأس به من منظمات الحمض النووي الريبي (RNA) الصغيرة. تقليديا، يمكن تقسيمهم جميعا إلى مجموعتين:

جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي يجب أن ترتبط بالبروتينات لتؤدي وظيفتها.
RNAs التي ترتبط بشكل تكاملي مع RNAs الأخرى (تشكل غالبية جزيئات RNA التنظيمية المعروفة).

تتضمن المجموعة الأولى جزيئات RNA صغيرة يمكن ربطها بالبروتين، ولكنها ليست ضرورية. أحد الأمثلة المعروفة هو RNase P، الذي يعمل بمثابة ريبوزيم في الحمض الريبي النووي النقال "الناضج". ومع ذلك، إذا كان RNase P يمكن أن يعمل بدون مكون بروتيني، فبالنسبة لـ RNAs الصغيرة الأخرى في هذه المجموعة، يكون الارتباط بالبروتين إلزاميًا (وهي في الواقع عوامل مساعدة). على سبيل المثال، يقوم tmRNA بتنشيط مركب بروتيني معقد، يعمل بمثابة "مفتاح رئيسي" للريبوسوم "العالق" - إذا كان الحمض النووي الريبي المرسال الذي تتم قراءته منه قد وصل إلى نهايته، ولم يتم العثور على كود الإيقاف.

ومن المعروف أيضًا وجود آلية أكثر إثارة للاهتمام للتفاعل المباشر بين الرناوات الصغيرة والبروتينات. يتم توزيع البروتينات المرتبطة بالأحماض النووية "التقليدية" على نطاق واسع في أي خلية. والخلية بدائية النواة ليست استثناء. على سبيل المثال، تساعد بروتيناتها الشبيهة بالهيستون على حزم شريط الحمض النووي بشكل صحيح، كما أن البروتينات الكابتة المحددة لها صلة بالمنطقة المشغلة للجينات البكتيرية. لقد ثبت أنه يمكن تثبيط هذه المثبطات بواسطة RNAs الصغيرة التي تحاكي مواقع ربط الحمض النووي "الأصلية" لهذه البروتينات. وهكذا، يوجد في RNA CsrB الصغير (الشكل 1) 18 موقعًا "مخادعًا" تعمل على منع البروتين المثبط CsrA من الوصول إلى هدفه الحقيقي - مشغل الجليكوجين. بالمناسبة، من بين البروتينات المثبطة التي تضيع بسبب مثل هذه الرناوات الصغيرة، هناك منظمات للمسارات الأيضية العالمية، مما يجعل من الممكن تعزيز الإشارة المثبطة للحمض النووي الريبي الصغير بشكل متكرر. على سبيل المثال، يتم ذلك عن طريق RNA 6S الصغير، الذي "يحاكي" عامل البروتين σ 70. من خلال "الخداع التكويني"، الذي يحتل مراكز ربط بوليميريز الحمض النووي الريبي (RNA) مع عامل سيجما، فإنه يمنع التعبير عن جينات "التدبير المنزلي".

الشكل 1. البنية الثانوية المتوقعة من الناحية المعلوماتية الحيوية لـ RNA CsrB الصغير من ضمة الكوليرام66-2.إن RNAs الصغيرة عبارة عن جزيئات مفردة، ولكن كما هو الحال مع RNAs الأخرى، فإن طيها في بنية مكانية مستقرة يكون مصحوبًا بتكوين مناطق حيث يهجن الجزيء مع نفسه. تسمى العديد من الانحناءات على الهيكل على شكل حلقات مفتوحة الكعب العالي. في بعض الحالات، يسمح مزيج من دبابيس الشعر للحمض النووي الريبوزي (RNA) بالعمل كإسفنجة، أي بروتينات معينة غير مرتبطة تساهميًا. لكن في أغلب الأحيان، تتداخل جزيئات من هذا النوع مع الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA)؛ في هذه الحالة، يتم تعطيل البنية المكانية للحمض النووي الريبي (RNA) الصغير، ويتم تشكيل مواقع جديدة للتهجين مع الجزيء المستهدف. تعكس الخريطة الحرارية احتمال أن يكون زوج النوكليوتيدات المقابل مرتبطًا بالفعل برابطة هيدروجينية داخل الجزيئات؛ للأقسام غير المقترنة - احتمال تكوين روابط هيدروجينية مع أي أقسام داخل الجزيء. تم الحصول على الصورة باستخدام البرنامج RNAfold.

تتدخل RNAs الصغيرة من البكتيريا... وبنجاح كبير!

إن الآلية التي تعمل بها منظمات المجموعة الثانية، بشكل عام، تشبه تلك الخاصة بالـ RNA التنظيمي في حقيقيات النوى - وهذا هو نفس تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) من خلال التهجين مع mRNA، فقط سلاسل RNA الصغيرة نفسها غالبًا ما تكون أطول - تصل إلى عدة مئات. النيوكليوتيدات ( سم.أرز. 1). ونتيجة لذلك، ونظرًا لصغر حجم الحمض النووي الريبوزي (RNA)، لا تستطيع الريبوسومات قراءة المعلومات من mRNA. على الرغم من أنه في كثير من الأحيان يبدو أن الأمر لا يصل إلى هذا: تصبح مجمعات "RNA - mRNA" الناتجة هدفًا لـ RNases (مثل RNase P).

إن ضغط وكثافة التعبئة لجينوم بدائيات النوى تجعل نفسها محسوسة: إذا كانت معظم الرناوات التنظيمية في حقيقيات النوى مكتوبة في مواقع منفصلة (في أغلب الأحيان غير مشفرة للبروتين)، فيمكن تشفير العديد من الرناوات الصغيرة من البكتيريا في نفس منطقة الحمض النووي مثل المكبوت. الجينات، ولكن على السلاسل المعاكسة! تسمى هذه الـ RNAs رابطة الدول المستقلة المشفرة(مضاد للاتجاه)، وجزيئات RNA صغيرة تقع على مسافة ما من الجزء المكبوت من الحمض النووي - عبر المشفرة. على ما يبدو، يمكن اعتبار ترتيب cis-RNAs بمثابة انتصار لبيئة العمل: حيث يمكن قراءتها من شريط الحمض النووي المعاكس في لحظة فكه في وقت واحد مع النسخة المستهدفة، مما يجعل من الممكن التحكم بدقة في كمية البروتين المُصنَّع.

تتطور RNAs الصغيرة في المتحولة بشكل مستقل عن mRNA المستهدف، ويتغير تسلسل المنظم بقوة أكبر نتيجة للطفرات. ربما يكون هذا الترتيب مفيدًا فقط للخلية البكتيرية، نظرًا لأن الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير يكتسب نشاطًا ضد أهداف غير عادية سابقًا، مما يقلل من تكاليف الوقت والطاقة لإنشاء منظمات أخرى. من ناحية أخرى، يمنع ضغط الانتقاء الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير من التحور أكثر من اللازم لأنه سيفقد النشاط. ومع ذلك، من أجل التهجين مع الحمض النووي الريبي المرسال، تتطلب معظم أنواع الحمض النووي الريبي (RNA) العابرة للصغر عاملًا مساعدًا، وهو بروتين Hfq. على ما يبدو، خلاف ذلك، فإن التكامل غير الكامل للحمض النووي الريبي الصغير قد يخلق مشاكل في الارتباط بالهدف.

على ما يبدو، فإن الآلية التنظيمية المحتملة القائمة على مبدأ "حمض نووي ريبي صغير واحد - أهداف كثيرة" تساعد على دمج الشبكات الأيضية للبكتيريا، وهو أمر ضروري للغاية في ظروف حياة الخلية الواحدة القصيرة. يمكن للمرء أن يستمر في التكهن بالموضوع ويفترض أنه بمساعدة RNAs الصغيرة المشفرة، يتم إرسال "تعليمات" التعبير من مواقع مرتبطة وظيفيًا، ولكنها بعيدة جسديًا. إن الحاجة إلى هذا النوع من "النداء" الجيني تفسر منطقيا العدد الكبير من الحمض النووي الريبي الصغير الموجود في البكتيريا المسببة للأمراض. على سبيل المثال، تم العثور على عدة مئات من الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير في حامل الرقم القياسي لهذا المؤشر - Vibrio cholerae ( ضمة الكوليرا). هذه كائنات حية دقيقة يمكنها البقاء على قيد الحياة في البيئة المائية المحيطة (الطازجة والمالحة)، وفي المحار المائي، وفي الأسماك، وفي أمعاء الإنسان - هنا لا يمكنك الاستغناء عن التكيف المعقد بمساعدة الجزيئات التنظيمية!

كريسبر يحمي صحة البكتيريا

كما تم استخدام RNAs الصغيرة في حل مشكلة ملحة أخرى للبكتيريا. حتى أكثر المكورات والعصيات المسببة للأمراض خبيثة قد تكون عاجزة في مواجهة الخطر الذي تشكله فيروسات خاصة - العاثيات القادرة على تدمير التجمعات البكتيرية بسرعة البرق. تمتلك الكائنات متعددة الخلايا نظامًا متخصصًا لحماية نفسها من الفيروسات - منيععن طريق الخلايا والمواد التي تفرزها، تحمي الجسم من الضيوف غير المدعوين (بما في ذلك الضيوف ذوو الطبيعة الفيروسية). تعتبر الخلية البكتيرية منعزلة، ولكنها ليست ضعيفة كما قد تبدو للوهلة الأولى. Loci هم حراس الوصفات للحفاظ على مناعة البكتيريا المضادة للفيروسات. كريسبر- تكرارات متناوبة قصيرة منتظمة ومتقطعة ( متجمعة بشكل منتظم تكرارات متناوبة قصيرة متباعدة) (الشكل 2؛ ). في الجينومات بدائية النواة، يتم تمثيل كل شريط كريسبر بتسلسل رئيسي يبلغ طوله عدة مئات من النيوكليوتيدات، تليها سلسلة من 2-24 (أحيانًا ما يصل إلى 400) تكرار مفصولة بمناطق فاصلة متشابهة في الطول ولكنها فريدة من نوعها في تسلسل النيوكليوتيدات. لا يتجاوز طول كل فاصل وتكرار مائة زوج أساسي.

الشكل 2. موضع كريسبر ومعالجة الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير المقابل له في نسخة وظيفية.في الجينوم كريسبر- يتم تمثيل الكاسيت بفواصل تتخللها بعضها البعض (في الشكل المخصص لها Sp) ، متماثل جزئيًا مع مناطق الحمض النووي العاثي، ويتكرر ( بواسطة) بطول 24-48 نقطة أساس، مما يدل على التماثل الثنائي. على النقيض من التكرارات، فإن الفواصل داخل نفس الموضع تكون هي نفسها في الطول (في البكتيريا المختلفة يمكن أن يكون هذا 20-70 نيوكليوتيدات)، ولكنها تختلف في تسلسل النيوكليوتيدات. يمكن أن تكون أقسام "فاصل التكرار" طويلة جدًا وتتكون من عدة مئات من الوحدات. الهيكل بأكمله محاط من جانب واحد بتسلسل رئيسي ( ليرة لبنانية، عدة مئات من الأزواج الأساسية). توجد جينات كاس في مكان قريب ( جريسبر-مثلالمرتبطة)، نظمت في أوبون. تؤدي البروتينات المقروءة منها عددًا من الوظائف المساعدة، مما يوفر معالجة النص المقروء منه كريسبر-الموضع، والتهجين الناجح مع هدف الحمض النووي العاثي، وإدخال عناصر جديدة في الموضع، وما إلى ذلك. يتم تهجين CrRNA المتكون نتيجة معالجة متعددة المراحل مع جزء من الحمض النووي (الجزء السفلي من الشكل) الذي يتم حقنه بواسطة العاثيات في البكتيريا. يؤدي هذا إلى إسكات آلة نسخ الفيروس وإيقاف تكاثره في الخلية بدائية النواة.

آلية تفصيلية لظهور كل شيء كريسبر- يبقى موضع الدراسة. ولكن اليوم، تم اقتراح رسم تخطيطي لمظهر الفواصل، وهي الهياكل الأكثر أهمية في تكوينها. اتضح أن "صائدي البكتيريا" يُهزمون بأسلحتهم الخاصة - الأحماض النووية، أو بالأحرى "الكأس" المعلومات الوراثية التي تتلقاها البكتيريا من العاثيات في المعارك السابقة! والحقيقة هي أنه ليس كل العاثيات التي تدخل الخلية البكتيرية تكون قاتلة. يتم قطع الحمض النووي لهذه العاثيات (المصنفة على أنها معتدلة) بواسطة بروتينات Cas خاصة (تحيط جيناتها كريسبر) إلى أجزاء صغيرة. سيتم تضمين بعض هذه الأجزاء كريسبر- موقع الجينوم "المضيف". وعندما يدخل الحمض النووي العاثي إلى الخلية البكتيرية مرة أخرى، فإنه يصادف RNA صغيرًا منها كريسبر-الموضع، في تلك اللحظة يتم التعبير عنه ومعالجته بواسطة بروتينات Cas. بعد ذلك، يتم تعطيل المعلومات الوراثية الفيروسية وفقًا لآلية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) الموصوفة أعلاه.

من خلال فرضية تكوين الفواصل، ليس من الواضح سبب الحاجة إلى التكرار بينها، داخل موضع واحد يختلف قليلاً في الطول، ولكنه متطابق تقريبًا في التسلسل؟ هناك مجال واسع للخيال هنا. ربما، بدون تكرار، سيكون من الصعب تقسيم البيانات الجينية إلى أجزاء دلالية، مماثلة للقطاعات الموجودة على القرص الصلب للكمبيوتر، ثم الوصول إلى آلة النسخ إلى مناطق محددة بدقة كريسبر-مكان سوف تصبح صعبة؟ أو ربما يؤدي التكرار إلى تبسيط عمليات إعادة التركيب عند إدخال عناصر جديدة من الحمض النووي العاثي؟ أم أنها "علامات ترقيم" لا غنى عنها في معالجة كريسبر؟ مهما كان الأمر، سيتم العثور على سبب بيولوجي يفسر سلوك الخلية البكتيرية بطريقة غوغول بليوشكين في الوقت المناسب.

كريسبرنظرًا لكونه "سجلًا تاريخيًا" للعلاقة بين البكتيريا والعاثية، فيمكن استخدامه في دراسات النشوء والتطور. وهكذا، نفذت مؤخرا الكتابة وفقا ل كريسبرسمح لنا بإلقاء نظرة على تطور السلالات الفردية لميكروب الطاعون ( يرسينيا بيستيس). بحث لهم كريسبر- تسلط "النسب" الضوء على الأحداث التي وقعت قبل نصف ألف عام، عندما دخلت السلالات منغوليا من ما يعرف الآن بالصين. ولكن هذه الطريقة لا تنطبق على جميع البكتيريا، وخاصة مسببات الأمراض. على الرغم من الأدلة الحديثة على بروتينات معالجة كريسبر المتوقعة في مسببات أمراض التولاريميا ( فرانسيسيلا تولارينيسيس) والكوليرا، فإن كريسبر نفسها، إذا كانت موجودة في الجينوم الخاص بها، فهي قليلة العدد. ربما العاثيات، نظرًا لمساهمتها الإيجابية في اكتساب الفوعة من قبل ممثلي المملكة البكتيرية المسببة للأمراض، ليست ضارة وخطيرة جدًا للدفاع ضدها باستخدام كريسبر؟ أم أن الفيروسات التي تهاجم هذه البكتيريا شديدة التنوع، واستراتيجية "التدخل" في مناعة الحمض النووي الريبي (RNA) ضدها غير مجدية؟

الشكل 3. بعض آليات تشغيل المحول الريبي.المحولات الريبية (المحولات الريبية) مدمجة في الحمض النووي الريبي المرسال، ولكنها تتميز بحرية كبيرة في السلوك المطابق، اعتمادًا على روابط محددة، مما يعطي سببًا لاعتبار المحولات الريبية وحدات مستقلة من RNAs الصغيرة. يؤثر التغيير في تشكيل منصة التعبير على موقع هبوط الريبوسوم على mRNA ( بنك اسكتلندا الملكي) ، ونتيجة لذلك، يحدد مدى توفر جميع الرنا المرسال للقراءة. تشبه المحولات الريبوسية إلى حد ما مجال المشغل في النموذج الكلاسيكي لاك-الأوبون - لكن مناطق الأبتمر فقط هي التي يتم تنظيمها عادةً بواسطة مواد منخفضة الجزيئات وتبديل عملية الجينات على مستوى الرنا المرسال، وليس الدنا. أ - في حالة عدم وجود الروابط، المحولات الريبية btuB (ناقل الكوبالامين)و ثيم (يعتمد على بيروفوسفات الثيامين)، التي تقوم بالقمع غير النووي للرنا المرسال، يتم "تشغيلها" ( على) والسماح للريبوسوم بالقيام بعمله. ربط المركب بالريبوز ( عن-position) يؤدي إلى تكوين دبوس الشعر، مما يجعل هذه المنطقة غير قابلة للوصول إلى الريبوسوم. ب - ليسين ريبوسويتش ليسCفي حالة عدم وجود يجند يتم تضمينها أيضًا ( على). يؤدي إيقاف تشغيل المفتاح الريبوزي إلى منع الريبوسوم من الوصول إلى mRNA. ولكن على عكس المحولات الريبية الموصوفة أعلاه، في مفتاح الليسين، عند إيقاف تشغيله، يكون هناك قسم "مكشوف"، مقطوع بواسطة مجمع RNase خاص ( تحلل) ، ويتم استخدام كل mRNA، وتقسيمه إلى أجزاء صغيرة. يُسمى القمع بواسطة المحول الريبي في هذه الحالة بالتحلل النووي ( محلل للنواة) ولا رجعة فيه، لأنه، على عكس المثال ( أ ) ، التبديل العكسي (العودة إلى على) لم يعد ممكنا. من المهم أن نلاحظ أنه بهذه الطريقة يمكن تحقيق الاستفادة من مجموعة من mRNAs "غير الضرورية": المحول الريبي يشبه جزء من مجموعة البناء للأطفال، ويمكن لمجموعة كاملة من جزيئات المصفوفة المرتبطة وظيفيًا أن تحتوي على مفاتيح مماثلة في بناء.

Riboswitch - جهاز استشعار للبكتيريا

لذلك، هناك RNAs الصغيرة المرتبطة بالبروتين، وهناك RNAs الصغيرة التي تتداخل مع mRNA الخاص بالبكتيريا، وكذلك RNAs التي تلتقطها البكتيريا من الفيروسات وتثبط DNA العاثي. هل من الممكن تخيل أي آلية أخرى للتنظيم باستخدام RNAs الصغيرة؟ اتضح نعم. إذا قمنا بتحليل ما تم وصفه أعلاه، سنجد أنه في جميع حالات تنظيم الضد، يتم ملاحظة تداخل الحمض النووي الريبي الصغير والهدف نتيجة تهجين اثنين. فرديجزيئات. لماذا لا يتم ترتيب RNA صغير كجزء من النص نفسه؟ بعد ذلك، من الممكن، عن طريق تغيير شكل مثل هذا "القوزاق في غير مكانه" داخل الرنا المرسال، تغيير إمكانية الوصول إلى القالب بأكمله للقراءة أثناء الترجمة أو، وهو أمر أكثر فعالية، لتنظيم التخليق الحيوي للرنا المرسال، أي. النسخ!

مثل هذه الهياكل موجودة على نطاق واسع في الخلايا البكتيرية وتعرف باسم المحولات الريبية ( ريبوسويتش). وهي تقع قبل بداية الجزء المشفر من الجين، عند الطرف 5′ من mRNA. تقليديا، يمكن التمييز بين اثنين من الزخارف الهيكلية في تكوين المحولات الريبية: منطقة أبتمر، المسؤول عن الارتباط بالربيطة (المستجيب)، و منصة التعبير، وتوفير تنظيم التعبير الجيني من خلال انتقال مرنا إلى الهياكل المكانية البديلة. على سبيل المثال، يتم استخدام مثل هذا المفتاح (نوع "إيقاف") للتشغيل مشغل ليسين: عندما يكون هناك فائض من اللايسين، فإنه يوجد على شكل بنية مكانية "متشابكة" تمنع القراءة من الأوبون، وعندما يكون هناك نقص فيه، "يتفكك" المفتاح الريبوزي والبروتينات اللازمة للتخليق الحيوي للبروتين. يتم تصنيع اللايسين (الشكل 3).

الرسم التخطيطي الموصوف لجهاز تحويل الريبو ليس شريعة؛ هناك اختلافات. تم اكتشاف مفتاح ريبو ترادفي "تشغيلي" غريب في Vibrio cholerae: منصة التعبير مسبوقة بـ اثنان في وقت واحدمنطقة أبتمر. من الواضح أن هذا يوفر حساسية أكبر واستجابة أكثر سلاسة لظهور حمض أميني آخر في الخلية - الجلايسين. ربما يكون المفتاح الريبي "المزدوج" في جينوم مسبب مرض الجمرة الخبيثة، مشابهًا من حيث مبدأ العمل، متورطًا بشكل غير مباشر في ارتفاع معدل بقاء البكتيريا ( عصية الجمرة الخبيثة). إنه يتفاعل مع مركب يعد جزءًا من الوسط الأدنى وهو حيوي لهذا الميكروب - بيروفوسفات الثيامين.

بالإضافة إلى تبديل المسارات الأيضية اعتمادًا على "القائمة" المتاحة للخلية البكتيرية، يمكن أن تكون المحولات الريبية بمثابة مستشعرات للتوازن البكتيري. وهكذا، فقد لوحظت في تنظيم توافر الجين للقراءة عندما يتعطل عمل نظام الترجمة داخل الخلية (على سبيل المثال، إشارات مثل ظهور الحمض الريبي النووي النقال "غير المشحون" والريبوسومات "المعيبة" (المتوقفة) )، أو عند تغير العوامل البيئية (على سبيل المثال، ارتفاع درجة الحرارة).

لا حاجة للبروتينات، أعطنا RNA!

إذن ماذا يعني وجود مثل هذا التنوع في منظمات الحمض النووي الريبوزي (RNA) الصغيرة داخل البكتيريا؟ هل يشير هذا إلى التخلي عن مفهوم أن البروتينات هي "المديرين" الرئيسيين، أم أننا نشهد اتجاه موضة آخر؟ على ما يبدو، لا هذا ولا ذاك. وبطبيعة الحال، بعض RNAs الصغيرة هي منظمات عالمية للمسارات الأيضية، مثل CsrB المذكور، والذي يشارك، مع CsrC، في تنظيم تخزين الكربون العضوي. ولكن بالنظر إلى مبدأ ازدواجية الوظائف في الأنظمة البيولوجية، يمكن مقارنة الحمض النووي الريبي (RNA) البكتيري الصغير بـ "مدير الأزمات" بدلاً من الرئيس التنفيذي. وهكذا، في الظروف التي يكون فيها بقاء الكائنات الحية الدقيقة ضروريا سريعمن خلال إعادة تكوين عملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا، قد يكون دورها التنظيمي حاسمًا وأكثر فعالية من دور البروتينات ذات الوظائف المماثلة. وبالتالي، فإن منظمات الحمض النووي الريبي (RNA) مسؤولة، بدلاً من ذلك، عن الاستجابة السريعة، الأقل استقرارًا وموثوقية مما هي عليه في حالة البروتينات: يجب ألا ننسى أن الحمض النووي الريبي (RNA) الصغير يحافظ على بنيته ثلاثية الأبعاد ويتم تثبيته على المصفوفة المثبطة بواسطة روابط هيدروجينية ضعيفة.

يمكن أن توفر RNAs الصغيرة المذكورة سابقًا لبكتيريا Vibrio cholerae تأكيدًا غير مباشر لهذه الأطروحات. بالنسبة لهذه البكتيريا، فإن دخول جسم الإنسان ليس هدفا مرغوبا فيه، بل هو، على ما يبدو، حالة طارئة. إن إنتاج السموم وتفعيل المسارات الأخرى المرتبطة بالفوعة في هذه الحالة هو مجرد رد فعل دفاعي على المعارضة العدوانية للبيئة وخلايا الجسم تجاه "الغرباء". "المنقذون" هنا هم RNAs صغيرة، على سبيل المثال Qrr، التي تساعد الضمة، في ظل الظروف العصيبة، على تعديل استراتيجية بقائها، وتغيير السلوك الجماعي. يمكن أيضًا تأكيد هذه الفرضية بشكل غير مباشر من خلال اكتشاف RNA VrrA الصغير، والذي يتم تصنيعه بشكل نشط عندما تكون الضمات في الجسم ويثبط إنتاج البروتينات الغشائية Omp. قد تساعد بروتينات الغشاء "المخفي" في المرحلة الأولية من العدوى على تجنب الاستجابة المناعية القوية من جسم الإنسان (الشكل 4).

الشكل 4. RNAs الصغيرة في تنفيذ الخصائص المسببة للأمراض من ضمة الكوليرا. أ - تشعر ضمة الكوليرا بالارتياح وتتكاثر بشكل جيد في البيئة المائية. ربما لا يكون جسم الإنسان المكان البيئي الرئيسي لهذا الميكروب. ب - بمجرد انتقال العدوى عن طريق الماء أو الغذاء إلى بيئة عدوانية - الأمعاء الدقيقة البشرية - تبدأ الضمات، من حيث السلوك المنظم، في تشبه كائن حي زائف، وتتمثل مهمتها الرئيسية في كبح الاستجابة المناعية و خلق بيئة مواتية للاستعمار. الحويصلات الغشائية لها أهمية كبيرة في تنسيق الإجراءات داخل التجمعات البكتيرية وتفاعلها مع الجسم. تعمل العوامل البيئية غير المفهومة تمامًا في الأمعاء كإشارات للتعبير عن RNAs الصغيرة (على سبيل المثال، VrrA) في الضمات. ونتيجة لذلك، يتم تشغيل آلية تكوين الحويصلات، وهي غير مناعية عندما يكون عدد خلايا الضمة في الأمعاء منخفضًا. بالإضافة إلى التأثير الموصوف، تساعد RNAs الصغيرة على "إخفاء" بروتينات غشاء Omp التي من المحتمل أن تكون مثيرة لجهاز المناعة البشري. من خلال المشاركة غير المباشرة لجزيئات RNA الصغيرة Qrr1-4، يتم تحفيز الإنتاج المكثف لسموم الكوليرا (لا يظهر في الشكل)، وهو ما يكمل نطاق التفاعلات التكيفية لضمة الكوليرا. V - في غضون ساعات قليلة، يزداد عدد الخلايا البكتيرية، ويتناقص تجمع VrrA RNA الصغير، مما يؤدي على الأرجح إلى انكشاف بروتينات الغشاء. يتناقص أيضًا عدد الحويصلات "الفارغة" تدريجيًا، وفي هذه المرحلة يتم استبدالها بالحويصلات المناعية التي يتم تسليمها إلى الخلايا المعوية. ويبدو أن هذا جزء من "الخطة" لتنفيذ إشارة معقدة، معناها إثارة إخلاء الضمات من جسم الإنسان. ملحوظة: لم يتم ملاحظة نسبة حجم الخلايا البكتيرية والخلايا المعوية.

سيكون من المثير للاهتمام أن نرى كيف سيتغير فهمنا لمنظمات الحمض النووي الريبوزي (RNA) الصغيرة عندما يتم الحصول على بيانات جديدة على منصات RNAseq، بما في ذلك الأشكال الحرة وغير المزروعة. لقد أسفر العمل الأخير باستخدام "التسلسل العميق" بالفعل عن نتائج غير متوقعة، مما يشير إلى وجود جزيئات تشبه الرنا الميكروي في المكورات العقدية الطافرة. وبطبيعة الحال، تحتاج مثل هذه البيانات إلى فحص مزدوج دقيق، ولكن مهما كان الأمر، يمكننا أن نقول بثقة أن دراسة الحمض النووي الريبي الصغير في البكتيريا ستجلب العديد من المفاجآت.

شكر وتقدير

الأفكار الأصلية والتصميم التركيبي عند إنشاء صورة العنوان، وكذلك الصورة 4، تنتمي إلى خريج معهد علم الآثار في الجامعة الفيدرالية الجنوبية Kopaeva E.A. ووجود الشكل رقم 2 في المقال هو من فضل الأستاذ المشارك بالقسم. علم الحيوان SFU GB بختادزه. كما أجرى أيضًا تدقيقًا علميًا ومراجعة لشكل العنوان والشكل 4. ويعرب المؤلف عن امتنانه العميق لهم لصبرهم ونهجهم الإبداعي في التعامل مع هذه المسألة. شكر خاص لزميلي الباحث الأول. مختبر. الكيمياء الحيوية للميكروبات في معهد روستوف لمكافحة الطاعون سوروكين ف.م. لمناقشة نص المقال وإبداء التعليقات القيمة.

الأدب

كارل ووز (1928–2012)؛؛. 80 , 1148-1154;
آر آر بريكر. (2012). المحولات الريبية وعالم الحمض النووي الريبوزي (RNA). وجهات نظر ميناء الربيع البارد في علم الأحياء. 4 ، a003566-a003566؛
ج. باتريك بارديل، بريان ك. هامر. (2012). تنظم sRNA غير المشفرة الفوعة في مسببات الأمراض البكتيرية Vibrio cholerae. بيولوجيا الحمض النووي الريبي. 9 , 392-401;
هيون جين لي، سو هيونغ هونغ. (2012). تحليل حجم الرنا الميكروي، الرناوات الصغيرة في المكورات العقدية الطافرة عن طريق التسلسل العميق. فيمس ميكروبيول ليت. 326 , 131-136;
م.-ص. كارون، ل. باستت، أ. لوسير، م. سيمونو روي، إي. ماس، د. أ. لافونتين. (2012). التحكم في الريبوسويتش ثنائي المفعول لبدء الترجمة واضمحلال الرنا المرسال. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. 109 ، E3444-E3453.

في الخلية الحية، لا يتوقف تدفق المعلومات بين النواة والسيتوبلازم أبدًا، لكن فهم كل "دواماتها" وفك رموز المعلومات المشفرة فيها يعد حقًا مهمة شاقة. يمكن اعتبار أحد أهم الإنجازات في علم الأحياء في القرن الماضي اكتشاف جزيئات المعلومات (أو المصفوفة) RNA (mRNA أو mRNA)، التي تعمل كوسيط يحمل "رسائل" المعلومات من النواة (من الكروموسومات) إلى السيتوبلازم. . تم التنبؤ بالدور الحاسم للحمض النووي الريبوزي (RNA) في تخليق البروتين في عام 1939 في أعمال ثوربيورن كاسبرسون (Thorbjörn Kaspersson). توربيورن كاسبيرسون)، جان براشيتا ( جان براشيه) وجاك شولتز ( جاك شولتز) ، وفي عام 1971 جورج ماربيس ( جورج ماربايكس) أثار تخليق الهيموجلوبين في بويضات الضفدع عن طريق حقن أول RNA رسول أرنب معزول يشفر هذا البروتين.

في 1956-1957 في الاتحاد السوفييتي، أثبت A. N. Belozersky وA. S. Spirin بشكل مستقل وجود mRNA، واكتشفا أيضًا أن الجزء الأكبر من الحمض النووي الريبي (RNA) في الخلية ليس قالبًا، ولكنه الحمض النووي الريبي الريباسي(الرنا الريباسي). الريبوسوم RNA - النوع الثاني "الرئيسي" من الحمض النووي الريبي الخلوي - يشكل "الهيكل العظمي" والمركز الوظيفي للريبوسومات في جميع الكائنات الحية؛ إن الرنا الريباسي (وليس البروتينات) هو الذي ينظم المراحل الرئيسية لتخليق البروتين. في الوقت نفسه، تم وصف ودراسة النوع الثالث "الرئيسي" من الحمض النووي الريبي (RNA) - نقل الحمض النووي الريبي (tRNAs)، والذي يشكل بالاشتراك مع اثنين آخرين - mRNA وrRNA - مجمعًا واحدًا لتخليق البروتين. وفقا لفرضية "عالم الحمض النووي الريبوزي" (RNA World) المشهورة إلى حد ما، فإن هذا الحمض النووي هو الذي يكمن في أصول الحياة على الأرض.

رعاية رائعة أثناء العمل، ونواتج التقطير الثلاثية، والقفازات المعقمة، والأواني الزجاجية المختبرية التي تستخدم لمرة واحدة - كل هذا ضروري لمنع تدهور الحمض النووي الريبي (RNA)، ولكن الحفاظ على مثل هذه المعايير لم يكن ممكنًا دائمًا. لذلك، لفترة طويلة، لم ينتبهوا ببساطة إلى "شظايا" قصيرة من الحمض النووي الريبي (RNA)، والتي تلوث المحاليل حتما. ومع ذلك، مع مرور الوقت، أصبح من الواضح أنه على الرغم من كل الجهود المبذولة للحفاظ على عقم منطقة العمل، استمر اكتشاف "الحطام" بشكل طبيعي، وبعد ذلك اتضح أن الآلاف من الـ RNA القصيرة المزدوجة الجديلة موجودة دائمًا في السيتوبلازم ، تؤدي وظائف محددة للغاية، وهي ضرورية للغاية للنمو الطبيعي للخلايا والكائنات الحية.

مبدأ تدخل الحمض النووي الريبي

أصبح الصيادلة أيضًا مهتمين بإمكانية استخدام siRNA، نظرًا لأن القدرة على تنظيم عمل الجينات الفردية على وجه التحديد تعد بآفاق غير مسبوقة في علاج مجموعة من الأمراض. الحجم الصغير والخصوصية العالية للعمل يعدان بفعالية عالية وسمية منخفضة للأدوية المعتمدة على siRNA؛ ولكن حل المشكلة توصيللم ينجح بعد siRNA في الخلايا المريضة في الجسم - ويرجع ذلك إلى هشاشة هذه الجزيئات وهشاشتها. وعلى الرغم من أن العشرات من الفرق تحاول الآن إيجاد طريقة لتوجيه هذه "الرصاصات السحرية" إلى الهدف بالضبط (داخل الأعضاء المريضة)، إلا أنها لم تحقق نجاحا ملحوظا بعد. وإلى جانب هذا، هناك صعوبات أخرى. على سبيل المثال، في حالة العلاج المضاد للفيروسات، يمكن أن تكون الانتقائية العالية لعمل siRNA ضارة - نظرًا لأن الفيروسات تتحور بسرعة، فإن السلالة المعدلة ستفقد بسرعة كبيرة حساسيتها تجاه siRNA الذي تم اختياره في بداية العلاج: من المعروف أن يؤدي استبدال نيوكليوتيد واحد فقط في سيرنا إلى انخفاض كبير في تأثير التداخل.

عند هذه النقطة، يجدر بنا أن نتذكر مرة أخرى: تم اكتشاف siRNAs فقط في النباتات واللافقاريات والكائنات وحيدة الخلية; على الرغم من وجود متجانسات البروتينات لتداخل الحمض النووي الريبي (Dicer، RISC complex) أيضًا في الحيوانات العليا، إلا أنه لم يتم اكتشاف siRNAs بالطرق التقليدية. يا لها من مفاجأة عندما قدم بشكل مصطنعتسببت نظائرها الاصطناعية siRNA في تأثير قوي يعتمد على الجرعة المحددة في ثقافات خلايا الثدييات! وهذا يعني أنه في الخلايا الفقارية، لم يتم استبدال تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) بأجهزة مناعية أكثر تعقيدًا، ولكنه تطور جنبًا إلى جنب مع الكائنات الحية، وتحول إلى شيء أكثر "تقدمًا". وبالتالي، في الثدييات، كان من الضروري البحث ليس عن نظائرها الدقيقة للـ siRNAs، ولكن عن خلفائها التطوريين.

اللاعب رقم 2 - microRNA

في الواقع، استنادًا إلى الآلية التطورية القديمة لتداخل الحمض النووي الريبي (RNA)، ظهر نظامان متخصصان للتحكم في عمل الجينات في كائنات أكثر تطورًا، يستخدم كل منهما مجموعته الخاصة من RNAs الصغيرة - ميكرورنا(ميكرورنا) و بيرنا(piRNA، RNA المتفاعل مع Piwi). ظهر كلا النظامين في الإسفنجيات والتجويفات المعوية وتطورا معًا، مما أدى إلى إزاحة سيرنا وآلية تدخل الحمض النووي الريبي "العاري". دورها في توفير المناعة آخذ في التناقص، حيث تم الاستيلاء على هذه الوظيفة من قبل آليات أكثر تقدما للمناعة الخلوية، على وجه الخصوص، نظام الإنترفيرون. ومع ذلك، فإن هذا النظام حساس للغاية لدرجة أنه يتم تحفيزه أيضًا بواسطة siRNA نفسه: ظهور RNA صغير مزدوج الجديلة في خلية الثدييات يطلق "إشارة إنذار" (ينشط إفراز الإنترفيرون ويسبب التعبير عن الجينات المعتمدة على الإنترفيرون)، مما يمنع جميع عمليات الترجمة بالكامل). في هذا الصدد، يتم التوسط في آلية تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) في الحيوانات العليا بشكل أساسي بواسطة microRNAs وpiRNAs - وهي جزيئات مفردة ذات بنية محددة لا يتم اكتشافها بواسطة نظام الإنترفيرون.

عندما أصبح الجينوم أكثر تعقيدًا، أصبحت الـ microRNAs وpiRNAs تشارك بشكل متزايد في تنظيم النسخ والترجمة. وبمرور الوقت، تحولوا إلى نظام إضافي ودقيق ودقيق لتنظيم الجينوم. على عكس siRNA، لا يتم إنتاج microRNA وpiRNA (تم اكتشافهما في عام 2001، انظر الإطار 3) من جزيئات RNA الأجنبية المزدوجة الجديلة، ولكن يتم تشفيرهما مبدئيًا في جينوم المضيف.

لقاء: microRNA

يتم نسخ سلائف microRNA من كلا شريطي الحمض النووي الجينومي بواسطة بوليميراز RNA II، مما يؤدي إلى ظهور شكل وسيط - pri-microRNA - الذي يحمل ميزات mRNA العادي - m 7 G-cap وذيل polyA. تشكل هذه السلائف حلقة ذات "ذيول" مفردة تقطعت بها السبل والعديد من النيوكليوتيدات غير المتزاوجة في المركز (الشكل 3). تخضع مثل هذه الحلقة للمعالجة على مرحلتين (الشكل 4): أولاً، يقوم إنزيم نوكلياز دروشا بقطع "ذيول" الحمض النووي الريبي (RNA) المفرد الذي تقطعت به السبل من دبوس الشعر، وبعد ذلك يتم تصدير دبوس الشعر المستأصل (ما قبل microRNA) إلى السيتوبلازم، حيث يتم يتم التعرف عليه بواسطة Dicer، الذي يقوم بإجراء قطعتين إضافيتين (يتم قطع مقطع مزدوج الجديلة، موضح باللون في الشكل 3). في هذا النموذج، يتم تضمين microRNA الناضج، المشابه لـ siRNA، في مجمع RISC.

الشكل 3. هيكل جزيء السلائف microRNA المزدوج الذين تقطعت بهم السبل.السمات الرئيسية: وجود تسلسلات محفوظة تشكل دبوس الشعر؛ وجود نسخة تكميلية (microRNA*) مع اثنين من النيوكليوتيدات "الإضافية" في الطرف 3′؛ تسلسل محدد (2-8 bp) يشكل موقعًا للتعرف على النواة النووية. يتم تمييز microRNA نفسه باللون الأحمر - وهذا ما يقطعه Dicer.

تشبه آلية عمل العديد من الرناوات الميكروية عمل الرناوات siRNA: يرتبط الحمض النووي الريبوزي (RNA) المفرد الذي تقطعت به السبل (21-25 نيوكليوتيدات) كجزء من مجمع البروتين RISC بخصوصية عالية بالموقع التكميلي في المنطقة غير المترجمة 3 of من البروتين. الهدف مرنا. يؤدي الارتباط إلى انقسام mRNA بواسطة بروتين Ago. ومع ذلك، فإن نشاط microRNA (مقارنة بـ siRNA) هو بالفعل أكثر تمايزًا - إذا لم يكن التكامل مطلقًا، فقد لا يتحلل mRNA المستهدف، ولكن يتم حظره بشكل عكسي فقط (لن تكون هناك ترجمة). يمكن أيضًا استخدام نفس مجمع RISC قدم بشكل مصطنعسيرنا. وهذا ما يفسر سبب نشاط siRNAs الناتج عن البروتوزوا أيضًا في الثدييات.

وبالتالي، يمكننا استكمال الرسم التوضيحي لآلية عمل تداخل الحمض النووي الريبي (RNA) في الكائنات الحية العليا (المتماثلة ثنائيًا) من خلال الجمع في شكل واحد بين مخطط عمل microRNAs وsiRNAs المقدمة بالتكنولوجيا الحيوية (الشكل 5).

الشكل 5. المخطط المعمم للعمل من microRNAs الاصطناعية وsiRNAs(يتم إدخال siRNAs الاصطناعي إلى الخلية باستخدام البلازميدات المتخصصة - استهداف ناقلات سيرنا).

وظائف الرنا الميكروي

حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن الرنا الميكروي يقمع فقط - كليًا أو جزئيًا - عمل الجينات. ومع ذلك، فقد تبين مؤخرًا أن عمل microRNAs يمكن أن يختلف جذريًا اعتمادًا على حالة الخلية! في الخلية التي تنقسم بشكل نشط، يرتبط microRNA بتسلسل تكميلي في المنطقة 3 of من mRNA ويمنع تخليق البروتين (الترجمة). ومع ذلك، في حالة الراحة أو التوتر (على سبيل المثال، عند النمو في بيئة سيئة)، يؤدي نفس الحدث إلى التأثير المعاكس تمامًا - زيادة تخليق البروتين المستهدف!

تطور microRNA

لم يتم بعد تحديد عدد أصناف microRNA في الكائنات العليا بشكل كامل - وفقًا لبعض البيانات، فهو يتجاوز 1٪ من عدد جينات ترميز البروتين (في البشر، على سبيل المثال، يقولون أن هناك 700 microRNAs، وهذا العدد هو في تزايد مستمر). تنظم الرناوات الدقيقة نشاط حوالي 30% من جميع الجينات (الأهداف بالنسبة للعديد منها غير معروفة بعد)، وهناك جزيئات منتشرة في كل مكان وجزيئات خاصة بالأنسجة - على سبيل المثال، إحدى هذه المجموعات المهمة من الرناوات الدقيقة تنظم نضوج جذع الدم. الخلايا.

الشكل 6. تنوع MicroRNA في الكائنات الحية المختلفة.كلما زاد تنظيم الجسم، زاد عدد الرنا الميكروي فيه (الرقم بين قوسين). تم تمييز الأنواع التي تم العثور عليها باللون الأحمر. أعزبميكرورنا.

يمكن استخلاص علاقة تطورية واضحة بين siRNA وmicroRNA، بناءً على الحقائق التالية:

عمل كلا النوعين قابل للتبادل ويتم بوساطة بروتينات متماثلة.
يتم إدخال siRNAs في خلايا الثدييات على وجه التحديد "لإيقاف" الجينات المرغوبة (على الرغم من بعض التنشيط للحماية من الإنترفيرون)؛
يتم اكتشاف microRNAs في المزيد والمزيد من الكائنات الحية القديمة.

كلما ذهبت أبعد، أصبح الأمر أكثر إرباكًا. اللاعب رقم 3 - بيرنا

في حين كان هناك "لاعبان" فقط في مجال البيولوجيا الجزيئية - siRNA و microRNA - فإن "الغرض" الرئيسي لتدخل RNA بدا واضحًا تمامًا. في الواقع: مجموعة من الرناوات القصيرة والبروتينات المتماثلة في كائنات مختلفة تقوم بأعمال مماثلة؛ عندما تصبح الكائنات الحية أكثر تعقيدًا، كذلك تصبح الوظائف.

ومع ذلك، في عملية التطور، خلقت الطبيعة نظامًا آخر، أحدث تطوريًا وعالي التخصص، يعتمد على نفس المبدأ الناجح لتداخل الحمض النووي الريبي (RNA). نحن نتحدث عن بيرنا (بيرنا، من عند تفاعل بيوي RNA).

كلما كان تنظيم الجينوم أكثر تعقيدًا، كلما كان الكائن الحي أكثر تطورًا وتكيفًا (أو العكس؟ ؛-). ومع ذلك، فإن الزيادة في تعقيد الجينوم لها أيضًا جانب سلبي: حيث يصبح النظام الجيني معقدًا غير مستقر. وهذا يؤدي إلى الحاجة إلى آليات مسؤولة عن الحفاظ على سلامة الجينوم - وإلا فإن "الخلط" التلقائي للحمض النووي سيؤدي ببساطة إلى تعطيله. العناصر الوراثية المتنقلة ( MGE) - أحد العوامل الرئيسية لعدم استقرار الجينوم - هي المناطق القصيرة غير المستقرة التي يمكن نسخها بشكل مستقل والانتقال عبر الجينوم. يؤدي تنشيط هذه العناصر القابلة للنقل إلى حدوث تكسرات متعددة في الحمض النووي في الكروموسومات، مما قد يكون له عواقب مميتة.

"صورة" للبيرنا

وظائف البيرنا

توزيع وتطور piRNAs

تم العثور على أول piRNAs بالفعل في شقائق النعمان البحرية والإسفنج. يبدو أن النباتات اتخذت مسارًا مختلفًا - لم يتم العثور على بروتينات Piwi فيها، ويتم تنفيذ دور "الكمامة" للينقولات بواسطة نوكلياز Ago4 وsiRNA.

في الحيوانات العليا - بما في ذلك البشر - تم تطوير نظام piRNA بشكل جيد للغاية، ولكن لا يمكن العثور عليه إلا في الخلايا الجنينية وفي البطانة السلوية. يبقى أن نرى لماذا يكون توزيع الـ piRNA في الجسم محدودًا للغاية. يمكن الافتراض أنه، مثل أي سلاح قوي، تكون piRNAs مفيدة فقط في ظل ظروف محددة للغاية (أثناء نمو الجنين)، وفي الجسم البالغ، فإن نشاطها سوف يسبب ضررًا أكثر من نفعه. ومع ذلك، فإن عدد جزيئات piRNA يتجاوز عدد البروتينات المعروفة بترتيب من حيث الحجم، ومن الصعب التنبؤ بالتأثيرات غير المحددة لجزيئات piRNA في الخلايا الناضجة.

الجدول 1. خصائص جميع الفئات الثلاث من الرنا القصير

	سيرنا	ميكرورنا	بيرنا
الانتشار	النباتات, ذبابة الفاكهة, جيم ايليجانس. غير موجود في الفقاريات	حقيقيات النوى	الخلايا الجنينية للحيوانات (بدءًا بالتجويفات المعوية). ليس في الأوليات والنباتات
طول	21-22 النيوكليوتيدات	19-25 النيوكليوتيدات	24-30 نيوكليوتيدات
بناء	مزدوجة الجديلة، 19 نيوكليوتيدات تكميلية واثنين من النيوكليوتيدات غير المتزاوجة في الطرف 3′	هيكل معقد ذو سلسلة واحدة	هيكل معقد ذو سلسلة واحدة. U عند نهاية 5′ ونهاية 2′ يا- ميثيل 3′ نهاية
يعالج	تعتمد على المقامر	تعتمد على المقامر	المقامر مستقل
نوكليازات داخلية	منذ 2	منذ 1، منذ 2	Ago3، بيوي، أوب
نشاط	تدهور الرنا المرسال التكميلي، أستلة الحمض النووي الجينومي	تدهور أو تثبيط ترجمة الرنا المرسال المستهدف	تدهور ترميز mRNA MGE، وتنظيم نسخ MGE
الدور البيولوجي	الدفاع المناعي المضاد للفيروسات، وقمع نشاط الجينات الخاصة بالفرد	تنظيم نشاط الجينات	قمع نشاط MGE أثناء مرحلة التطور الجنيني

خاتمة

في الختام، أود أن أقدم جدولًا يوضح تطور جهاز البروتين المشارك في تداخل الحمض النووي الريبوزي (الشكل 9). يمكن ملاحظة أن الأوليات لديها نظام siRNA الأكثر تطورًا (عائلات البروتين Ago، Dicer)، وبما أن الكائنات الحية تصبح أكثر تعقيدًا، ينتقل التركيز إلى أنظمة أكثر تخصصًا - عدد الأشكال الإسوية البروتينية لـ microRNA (Drosha، Pasha) وpiRNA ( Piwi، Hen1) يزيد. وفي الوقت نفسه، يتناقص تنوع الإنزيمات التي تتوسط عمل سيرنا.

الشكل 9. تنوع البروتينات المشاركة في تدخل الحمض النووي الريبي (RNA).(تشير الأرقام إلى عدد البروتينات في كل مجموعة). أزرقيتم تسليط الضوء على العناصر المميزة لـ siRNA وmicroRNA، و أحمر- البروتين والمتعلقة بالبيرنا.

بدأ استخدام ظاهرة تدخل الحمض النووي الريبي (RNA) من قبل أبسط الكائنات الحية. وبناءً على هذه الآلية، خلقت الطبيعة نموذجًا أوليًا لجهاز المناعة، ومع ازدياد تعقيد الكائنات الحية، يصبح تدخل الحمض النووي الريبوزي (RNA) منظمًا لا غنى عنه لنشاط الجينوم. آليتان مختلفتان بالإضافة إلى ثلاثة أنواع من الرناوات القصيرة ( سم.فاتورة غير مدفوعة. 1) - ونتيجة لذلك، نرى الآلاف من المنظمات الدقيقة لمختلف المسارات الأيضية والوراثية. توضح هذه الصورة المذهلة التنوع والتكيف التطوري للأنظمة البيولوجية الجزيئية. تثبت RNAs القصيرة مرة أخرى أنه لا توجد "أشياء صغيرة" داخل الخلية - لا يوجد سوى جزيئات صغيرة، بدأنا للتو في فهم الأهمية الكاملة لدورها.

(صحيح أن هذا التعقيد المذهل يشير إلى أن التطور "أعمى" ويعمل دون "خطة رئيسية" معتمدة مسبقًا؛

أندرو جريمسون، مانسي سريفاستافا، بريوني فاهي، بن ج. وودكروفت، إتش. روزاريا تشيانج، وآخرون. آل .. (2008). الأصول المبكرة وتطور الـ microRNAs والـ RNA المتفاعل مع Piwi في الحيوانات. طبيعة. 455 , 1193-1197;

أ. أرافين، ج. ج. هانون، ج. برينيك. (2007). يوفر مسار Piwi-piRNA دفاعًا تكيفيًا في سباق تسلح الترانسبوزون. علوم. 318 , 761-764;