Риборегулятор - Riboregulator

Иллюстрация антисмыслового риборегулятора в присутствии целевой вирусной РНК [1]

В молекулярная биология, а риборегулятор рибонуклеиновая кислота (РНК ), который реагирует на сигнал нуклеиновая кислота молекула Базовая пара Уотсона-Крика. Риборегулятор может реагировать на сигнальную молекулу любым количеством способов, включая: перевод (или подавление трансляции) РНК в белок, активация рибозим, высвобождение сайленсирующей РНК (миРНК ), конформационное изменение и / или связывание других нуклеиновых кислот. Риборегуляторы содержат два канонических домена, сенсорный домен и эффекторный домен. Эти домены также можно найти на рибопереключатели, но в отличие от рибопереключателей, сенсорный домен связывает только комплементарную РНК или ДНК пряди в отличие от маленькие молекулы. Поскольку связывание основано на спаривании оснований, риборегулятор может быть адаптирован для дифференциации и ответа на отдельные генетические последовательности и их комбинации.

Виды риборегуляторов

Иллюстрация риборегулятора стебель-петля в присутствии целевой РНК [2]

Трансляционный риборегулятор

Трансляционные риборегуляторы регулируют способность рибосома комплекс для сканирования, сборки и / или трансляции молекулы РНК в белок. В трансляционных риборегуляторах молекула РНК репрессируется или депрессируется в зависимости от вторичная структура молекулы РНК. Сигнально-чувствительные структуры обычно вводятся в 5'-нетранслируемую область (5 ′ UTR ) молекул РНК с использованием стандартных молекулярно-биологических методов.

Как обнаружил Мэрилин Козак, маленький (40S ) рибосомный комплекс сканирует молекулу РНК от 5'-нетранслируемой области до стартового кодона. Когда комплекс встречает вторичную структуру, он должен расплавить структуру, чтобы достичь стартового кодона, иначе он упадет с молекулы.[3] Комплекс движется через непереведенную область, пока не остановится перед самым достижением стартовый кодон потому что он встречает высококонсервативную последовательность (a Консенсусная последовательность Козака в эукариоты, или же Последовательность Шайна-Далгарно в прокариоты ). Остановившийся комплекс затем объединяется с большой рибосомой (60S ), чтобы начать перевод РНК в белок.

Лехнер изобрел первый риборегулятор в 1991 году.[2] Лехнер использовал самостоятельное сопряжение стебель-петля что препятствовало переводу прокариотический РНК, если не присутствует комплементарная последовательность РНК (анти-ингибитор). В 1997 году Блэк разработал первый эукариотический риборегулятор с использованием антисмысловой молекулы для предотвращения трансляции (Nucline RNA).[1] В системе Nucline антисмысловые молекулы блокируют трансляцию, если не удаляются посредством конкурентной гибридизации и замещения цепи специфическими последовательностями сигнальной РНК, такими как РНК ВИЧ и РНК онкогена.[4] В 2003 году Блэк продемонстрировал, что Nucline RNA может выполнять Булево и арифметические операции (Если-то-еще, И ворота, ИЛИ ворота и расчет «Молярная концентрация x> молярная концентрация y») в ВИЧ зараженный моноциты и рак молочной железы клетки.[5][6]

В 2004 году Isaacs et al. модифицировал оригинальную систему Лехнера, чтобы продемонстрировать как транс и СНГ репрессия в прокариотических клетках.[7] В 2005 году Bayer & Smolke разработала трансляционный риборегулятор, который может реагировать на небольшие молекулы, создавая гибрид. рибопереключатель / молекула риборегулятора, называемая антипереключателем.[8] В анти-переключателе присутствие небольшой органической молекулы связывает аптамер последовательность в молекуле РНК, которая демаскирует в противном случае изолированную антисмысловую последовательность, которая может связываться и блокировать трансляцию целевой РНК.

Риборегулятор рибозима

Риборегуляторы рибозима регулируют способность молекулы каталитической РНК расщеплять последовательность нуклеиновой кислоты-мишени. В риборегуляторах рибозима молекула РНК рибозима в форме головки молотка активируется или инактивируется в зависимости от изменения вторичной структуры, вызванного гибридизацией сигнальной молекулы, такой как родственная последовательность ДНК или РНК. В 2008 году Win & Smolke разработали регулятор рибозима, который мог функционировать в дрожжевых клетках, который выполнял булевы операции, аналогичные более ранним трансляционным риборегуляторам, включая AND, NAND, НИ, и ворота ИЛИ.[9]

Риборегулятор на основе РНКи

Риборегуляторы РНКи представляют собой небольшие интерферирующие РНК, которые реагируют на входной сигнал, такой как комплементарная гибридизация с молекулой ДНК или РНК. Наличие или отсутствие целевой молекулы определяет, подавляет ли siRNA экспрессию гена. В 2007 году Rinaudo et al. продемонстрировали, что риборегуляторы на основе РНКи могут также выполнять булевы операции в клетках.[10]

риборегулятор pH

Риборегуляторы pH регулируют экспрессия гена в ответ на pH изменения. Единственный известный риборегулятор pH активирует alx ген в Кишечная палочка когда в щелочной в условиях, особенно при pH выше 8.[11] Путем экспериментов было обнаружено, что риборегулятор pH находится в 5 ′ UTR из alx ген.[12] Когда pH 7 или ниже, элемент риборегулятора pH (PRE) находится в неактивном «N» состоянии; в щелочных условиях, РНК-полимераза контролирует сворачивание этой нкРНК в ее активную Н-форму. В сайт связывания рибосомы из alx ген теперь открыт, и 30-й субъединице позволено связываться.[12]

Использование риборегуляторов

В настоящее время риборегуляторы нашли применение в области синтетическая биология и персонализированная медицина. В синтетической биологии риборегуляторы могут использоваться для регулирования бактериальных ответов и исследования сети регуляции генов. Студенты бакалавриата по системной биологии используют стандартизованные риборегуляторы для участия в ежегодном соревновании по биоинженерии (Международное соревнование по генетической инженерии, iGEM ).[13] Кроме того, поскольку различные риборегуляторы могут быть адаптированы для ответа на сложные биологические сигналы, риборегуляторы открывают перспективы создания индивидуально адаптированных препаратов на основе РНК, которые реагируют на гены, небольшие молекулы и белки в индивидуальных клетках.

Рекомендации

  1. ^ а б Черный CA (1997). Патент США № 6,323,003, http://www.google.com/patents?vid=USPAT6323003 Бюро патентов и товарных знаков США, Проверено 11 февраля 2010 г.
  2. ^ а б Лехнер Р.Л. (1991). Заявка на патент РСТ № WO 92/13070, http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?WO=199213070[постоянная мертвая ссылка ] Всемирная организация интеллектуальной собственности, Проверено 11 февраля 2010 г.
  3. ^ Козак М (1989). «Модель сканирования для перевода: обновление». J Cell Biol. 108 (2): 229–241. Дои:10.1083 / jcb.108.2.229. ЧВК  2115416. PMID  2645293.
  4. ^ http://www.sunpillar.com/helpexamples.html Проверено 11 февраля 2010 г.
  5. ^ Черный CA (2003). «Включение генной терапии: использование генных профилей для разработки лекарств». Фармакогеномика (2): 48–53. http://pharmtech.findpharma.com/pharmtech/data/articlestandard//pharmagenomics/232003/59233/article.pdf В архиве 2011-07-11 на Wayback Machine
  6. ^ http://www.sunpillar.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/nuclinetalkjul93_uploadagain.ppt
  7. ^ Айзекс; и другие. (2004). «Разработанные риборегуляторы позволяют пост-транскрипционный контроль экспрессии генов». Nat Biotechnol. 22 (7): 823–824. Дои:10.1038 / nbt986. PMID  15208640.
  8. ^ Байер и Смолке; Смолке, CD (2005). «Программируемые лиганд-контролируемые риборегуляторы экспрессии эукариотических генов». Nat Biotechnol. 23 (3): 306–307. Дои:10.1038 / nbt1069. PMID  15723047.
  9. ^ Win & Smolke; Смолке, CD (2008). «Обработка клеточной информации высшего порядка с помощью устройств на синтетической РНК». Наука. 322 (5900): 456–460. Дои:10.1126 / science.1160311. ЧВК  2805114. PMID  18927397.
  10. ^ Ринаудо; и другие. (2008). «Универсальный логический вычислитель на основе РНКи, работающий в клетках млекопитающих». Nat Biotechnol. 25 (7): 795–801. Дои:10.1038 / nbt1307. PMID  17515909.
  11. ^ Bingham RJ, Hall KS, Slonczewski JL (апрель 1990 г.). «Щелочная индукция нового локуса гена, alx, в Escherichia coli». J. Bacteriol. 172 (4): 2184–2186. Дои:10.1128 / jb.172.4.2184-2186.1990. ЧВК  208722. PMID  2108134. Получено 2010-07-19.
  12. ^ а б Nechooshtan G, Elgrably-Weiss M, Sheaffer A, Westhof E, Altuvia S (ноябрь 2009 г.). «PH-чувствительный риборегулятор». Genes Dev. 23 (22): 2650–2662. Дои:10.1101 / gad.552209. ЧВК  2779765. PMID  19933154. Получено 2010-07-19.
  13. ^ http://openwetware.org/wiki/IGEM:Caltech/2007/Project/Riboregulator

дальнейшее чтение