Транспорт и деградация мРНК

Скорость синтеза любого данного белка в значительной степени зависит от цитоплазматической концентрации его мРНК, которая (концентрация) определяется балансом скоростей ее образования и деградации. После завершения процессинга молекулы мРНК транспортируются через поры в ядерной оболочке в цитоплазму, где они направляют синтез белка до тех пор, пока не подвергнутся деградации. Компоненты сплайсисомы связанные с интронами могут препятствовать транспорту мРНК прежде, чем не завершится процесс сплайсинга. Находясь в ядре многие, но не все белки hnRNР-комплексов отделяются от мРНК.

Исследования дрожжевых матричных РНК, которые обычно являются более короткоживущими, чем матричные РНК млекопитающих, позволили проникнуть в суть механизмов деградации мРНК. Первоначально молекулы мРНК довольно устойчивы к деградации, но со временем их 3^/-поли-А хвосты (участки) укорачиваются. Как только поли-А участок уменьшается примерно до 10 нуклеотидов (вероятно, такой участок слишком мал, чтобы связывать защитный поли-А-связующий белок) 5^/-конец мРНК быстро подвергается декэпированию (еще один пример, демонстрирующий тесные взаимоотношения между 3^/- и 5^/-областями матричных РНК). Вслед за декэпированием молекулы РНК быстро разрушаются с двух концов под действием экзонуклеаз, включая ферменты, которые расщепляют мРНК с 5^/-конца и экзосому, разрушающую РНК с 3^/-конца. Скорость уменьшения длины 3^/-поли-А участков варьирует у разных мРНК, определяя тем самым относительное время их полужизни и, следовательно, их стационарную концентрацию.

Хотя описанный выше путь кругооборота мРНК является основным у дрожжей и, вероятно, у высших организмов, он не является единственным. Некоторые молекулы РНК утрачивают кэпы без предварительного удаления 3^/-поли-А участков, другие деградируют в отсутствие декэпирования, кроме того отдельные молекулы РНК могут разрушаться начиная с расщепления по внутренним сайтам. В действительности большинство долгоживущих РНК (рРНК, 5S-РНК и тРНК) никогда не кэпируются и не полиаденилируются. Вероятно, они защищены от деградации прочными вторичными структурами и связью со специфическими белками (см. раздел, посвященный процессингу малых ядрышковых РНК – snoRNA).

Не смотря на то, что процессам кругооборота мРНК вплоть до настоящего времени уделялось меньше «экспериментального внимания», чем механизмам их образования, вероятно, они важны в определении количества белка в результате функционирования гена. Диапазон времени полужизни мРНК позвоночных составляет от нескольких минут (c-fos интермедиат мРНК раннего гена) до нескольких часов (большинство мРНК) и даже до нескольких дней (глобиновая мРНК в ретикулоцитах и мРНК овальбумина в клетках яйцеводов цыпленка). Некоторые механизмы точно определяют этот широкий диапазон скоростей деградации. Многие мРНК с очень коротким временем полужизни такие, как мРНК, кодирующие ряд факторов роста, цитокины и лимфокины, содержат серию AU-богатых элементов, расположенных в пределах их 3^/-нетранслируемых участков. Эти элементы связывают специфические белки, которые делают такие мРНК мишенью для деградации под действием экзосомы (см. выше).

Время полужизни некоторых мРНК может регулироваться в ответ на различные потребности клетки. Например, связывание гормона пролактина с рецепторами на поверхности клеток молочной железы увеличивает время полужизни мРНК, кодирующей казеин молока, от 1 до 40 час, что стимулирует процесс образования молока. Другой пример, внутриклеточная концентрация железа регулирует время полужизни мРНК, кодирующей рецептор трансферрина млекопитающих (необходимый для поступления железа в клетки). Высокая концентрация железа в цитоплазме вызывает отделение защитного белка (железо-зависимого элемента связующего белка) от мРНК, делая ее доступной для расщепления и деградации.

Матричные РНК, включающие стоп-кодоны, появляющиеся в кодирующей области, специфически разрушаются посредством более общего механизма, известного как распад опосредованный нонсенс-кодонами (nonsense-mediated decay). Полагают, что этот механизм защищает клетку от потенциального повреждающего действия «искалеченных» белков, которые могли бы появиться в результате трансляции мРНК включающих стоп-кодоны в середине рамки считывания. Это явление уже давно является загадкой, поскольку такое селективное разрушение предполагается для сплайсированной мРНК в ядрах, а заодно и в цитоплазме, и это несмотря на тот факт, что способность читать кодоны в открытой рамке считывания, как полагают, является исключительно свойством цитоплазмы. Недавнее доказательство некоторой способности к трансляции в ядре может помочь объяснению данного явления.

Иной способ деградации РНК, называемый РНК-интерференцией (RNA interference – RNAi), в настоящее время активно изучается. В соответствии с этим процессом, совершенная дуплексная РНК (такая как природная вирусная РНК или дуплексная РНК, намеренно внесенная исследователями в клетку) расщепляется на фрагменты из 21 нуклеотида, которые направляют разрушения тех мРНК, к которым эти фрагменты комплементарны. В некоторых случаях дуплексная РНК может размножаться сама. Используя РНК-интерференцию, исследователи могут специфически снижать внутриклеточную концентрацию отдельных мРНК. В экспериментах на клетках млекопитающих во избежание путаницы вводятся уже готовые дуплексные РНК, состоящие из 21 нуклеотида. РНК-интерференция широко используется для скрининга генома с цель инактивировать все 18000 генов Caenorhabditis elegans.