Биогенез рибосом - Ribosome biogenesis

Биогенез и сборка рРНК у прокариот и эукариот. В частности, у эукариот 5S рРНК синтезируется РНК-полимераза III тогда как другие молекулы рРНК эукариот транскрибируются РНК-полимераза I.

Биогенез рибосом это процесс создания рибосомы. В прокариоты, этот процесс происходит в цитоплазме с транскрипция многих рибосомных генов опероны. У эукариот это происходит как в цитоплазма и в ядрышко. Он включает в себя скоординированную функцию более 200 белки в синтезе и обработке трех прокариотический или четыре эукариотический рРНК, а также сборка этих рРНК с рибосомными белками. Большинство рибосомных белков относятся к различным семействам энергоемких ферментов, включая АТФ-зависимую РНК. геликасы, AAA-АТФазы, GTPases, и киназы.[1] Около 60% энергии клетки тратится на производство и поддержание рибосом.[2]

Биогенез рибосом - это очень строго регулируемый процесс, который тесно связан с другими клеточными активностями, такими как рост и деление.[3]

Некоторые предполагали, что в зародыше жизни биогенез рибосом предшествовал клеткам, и что гены и клетки эволюционировали, чтобы повысить репродуктивную способность рибосом.[4]

Рибосомы

Рибосомы макромолекулярные машины, которые отвечают за мРНК перевод в белки. Эукариотическая рибосома, также называемая рибосомой 80S, состоит из двух субъединиц - большой субъединицы 60S (которая содержит 25S [у растений] или 28S [у млекопитающих], 5.8S и 5S рРНК и 46 рибосомных белков) и малая субъединица 40S (которая содержит 18S рРНК и 33 рибосомных белка)[5]. Рибосомные белки кодируются рибосомными генами.

рРНК, обнаруженная в прокариотических и эукариотических рибосомах
ТипРазмерБольшая субъединица (LSU рРНК )Малая субъединица (SSU рРНК )
прокариотический70S50S (5S : 120 нт, 23S : 2906 нт)30S (16S : 1542 нт)
эукариотический80-е годы60S (5S : 121 нт,[6] 5,8S : 156 нт,[7] 28S : 5070 нт[8])40S (18S : 1869 н.[9])

Прокариоты

Существует 52 гена, кодирующих рибосомные белки, и их можно найти в 20 опероны внутри прокариотической ДНК. Регуляция синтеза рибосом зависит от регуляции рРНК сам.

Во-первых, сокращение аминоацил-тРНК вызовет реакцию прокариотической клетки снижением транскрипция и перевод. Это происходит в несколько этапов, начиная с жестких факторов, связывающихся с рибосомами и катализирующих реакцию:
GTP + ATP -> pppGpp + AMP

Затем γ-фосфат удаляется, и ppGpp связывается с РНК-полимеразой и ингибирует ее. Это связывание вызывает снижение транскрипции рРНК. Уменьшение количества рРНК означает, что рибосомные белки (р-белки) будут транслироваться, но не будут иметь рРНК для связывания. Вместо этого они будут отрицательно относиться к своим собственный мРНК, подавляющая синтез r-белка. Обратите внимание, что р-белки предпочтительно связываются со своей комплементарной рРНК, если она присутствует, а не с мРНК.

Опероны рибосом также включают гены РНК-полимераза и факторы удлинения (используется при трансляции РНК). Регуляция всех этих генов одновременно иллюстрирует связь между транскрипцией и трансляцией у прокариот.

Эукариоты

Синтез рибосомального белка у эукариот является основной метаболической активностью. Он происходит, как и большинство других белков, в цитоплазме сразу за пределами ядра. Индивидуальные рибосомальные белки синтезируются и импортируются в ядро ​​через ядерные поры. Видеть ядерный импорт для получения дополнительной информации о движении рибосомных белков в ядро.

ДНК транскрибируется с высокой скоростью в ядрышко, который содержит все гены 45S рРНК. Единственное исключение - 5S рРНК, которая транскрибируется вне ядрышка. После транскрипции рРНК связываются с рибосомными белками, образуя два типа рибосомных субъединиц (большие и маленькие). Позже они соберутся в цитозоле, чтобы создать функционирующую рибосому. Видеть ядерный экспорт для получения дополнительной информации о движении рибосомных субъединиц из ядра.[10]

Обработка

Эукариотические клетки транскрибируют три зрелых вида рРНК в несколько этапов. Процесс созревания рРНК и процесс рекрутирования r-белков происходит в исходных рибосомных частицах, иногда называемых пре-рибосомами, и происходит в ядрышко, нуклеоплазма, и цитоплазма. Дрожжи, С. cerevisiae является модельным эукариотическим организмом для изучения биогенеза рибосом. Биогенез рибосом начинается в ядрышко. Здесь субъединицы 18S, 5.8S и 25S рРНК котранскрибируются с рибосомных генов как полицистронный стенограмма РНК-полимераза I,[3] и называется пре-РНК 35S.[1]

Транскрипция полимеразы I начинается с инициирующего комплекса Pol I, который связывается с рДНК промоутер. Формирование этого комплекса требует помощи вышестоящего активирующего фактора или UAF, который ассоциируется со связывающим белком TATA-бокса и основным фактором (CF). Вместе два фактора транскрипции позволяют комплексу РНК pol I связываться с фактором инициации полимеразы I, Rrn3. По мере того как продуцируется транскрипт pol I, примерно 75 малых ядрышковых рибонуклео-частиц (snoRNP) способствуют ко-транскрипции ковалентный модификации> 100 остатков рРНК. Эти snoRNP контролируют метилирование 2’-O-рибозы нуклеотидов, а также помогают в создании псевдоуридины.[1] На 5 ’конце транскриптов рРНК малые субъединичные рибосомные белки (Rps) и не-рибосомные факторы собираются с транскриптами пре-РНК, образуя шарообразные выступы. Эти выступы являются первыми прерибосомными частицами в пути малых (40S) рибосомных субъединиц.[1] Транскрипт рРНК расщепляется по сайту A2, и это отделяет раннюю пре-рибосому 40S от оставшейся пре-рРНК, которая будет объединяться с рибосомными белками большой субъединицы (Rpl) и другими не-рибосомными факторами для создания рибосомных частиц пре-60S .[1]

Субъединица 40S

Транскрипционная сборка 40S предшественник субъединицы, иногда называемый процессомом малой субъединицы (SSU) или частицей 90S, происходит по иерархической схеме - по существу, путем поэтапного включения подкомплексов UTP-A, UTP-B и UTP-C. Эти субкомплексы состоят из более чем 30 не рибосомных белковых факторов, частицы snoRNP U3, нескольких белков Rps и пре-рРНК 35S. Однако их точная роль не выяснена.[3] Состав частиц пре-40S резко меняется после того, как происходит расщепление по U3 snoRNPA-зависимым сайтам (сайты A0, A1 и A2). Это событие расщепления создает пре-рРНК 20S и вызывает диссоциацию рибосомных факторов от частицы пре-40S. U3 вытесняется из зарождающегося 40S геликазой Dhr1. [11] На этом этапе процесса биогенеза рибосомы пре-рибосома 40S уже показывает структуры «голова» и «тело» зрелой субъединицы 40S. Пре-рибосома 40S транспортируется из ядрышка в цитоплазму. Цитоплазматическая пре-рибосома 40S теперь содержит рибосомные белки, 20s рРНК и несколько нерибосомных факторов. Окончательное формирование структуры «клюва» субъединицы 40S происходит после фосфорилирование и дефосфорилирование событие с участием комплекса Enp1-Ltv1-Rps3 и киназа, 25 грн. Расщепление 20S пре-рРНК по D-сайту создает зрелую 18s рРНК. Это событие расщепления зависит от нескольких нерибосомных факторов, таких как Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 и Fap7.[1]

Субъединица 60S

Созревание субъединицы пре-60S в зрелую субъединицу 60S требует многих факторов биогенеза, которые связываются и диссоциируют. Кроме того, некоторые факторы сборки связаны с субъединицей 60S, тогда как другие взаимодействуют с ней только временно. Как общая тенденция, созревание субъединицы до 60S характеризуется постепенным снижением сложности. Субъединица созревает по мере продвижения от ядрышка к цитоплазме, и постепенно количество трансакционный факторы уменьшены.[3] Созревание субъединицы 60S требует помощи около 80 факторов. Восемь из этих факторов непосредственно участвуют в процессинге пре-рРНК 27S A3, который фактически завершает формирование зрелого 5’-конца 5.8S рРНК. Факторы A3 связываются с удаленными участками пре-РНК, а также друг с другом. Впоследствии они приносят районы рРНК сближаются и способствуют процессингу пре-рРНК и привлечению рибосомных белков. Три ААА-типа АТФазы работают над удалением факторов из созревающей пре-рибосомы 60S. Один из АТФазы представляет собой динеиноподобный белок Rea1, состоящий из 6 различных доменов АТФазы, образующих кольцевую структуру. Кольцевая структура прикреплена к гибкому хвостовику, у которого есть кончик MIDAS (сайт адгезии, зависящий от ионов металлов). Rea1 взаимодействует с пре-рибосомой 60S через свое кольцо, в то время как два субстраты, Ytm1 и Rsa1, взаимодействуют с Rea1 через его кончик MIDAS. Роль этих субстратов еще не определена. Однако оба, вместе с их взаимодействием, удаляются в процессе созревания пре-рибосомы 60S. Две другие ATPases, Rix7 и Drg1, также действуют, чтобы удалить факторы сборки из созревающей субъединицы 60S. Геликасы и GTPases также участвуют в удалении факторов сборки и перестройке РНК с образованием завершенной субъединицы 60S. Попав в цитоплазму (см. Ядерный экспорт), субъединица 60S подвергается дальнейшей обработке, чтобы быть функциональной. Остальные рибосомные частицы большой субъединицы связываются с 60S единицей, а оставшиеся нерибосомные факторы сборки диссоциируют. Высвобождение факторов биогенеза в основном опосредуется GTPases, такими как Lsg1, и ATPases, такими как Drg1. Точная последовательность этих событий остается неясной. Насколько известно, путь созревания цитоплазмы 60S остается незавершенным.[3]

Ядерный экспорт

Чтобы прерибосомные единицы полностью созрели, они должны быть экспортированы в цитоплазма. Чтобы эффективно перемещаться из ядрышка в цитоплазму, пре-рибосомы взаимодействуют с экспортными рецепторами, чтобы пройти через гидрофобный центральный канал комплекса ядерных пор.[3] В кариоферин Crm1 является рецептором как для субъединиц рибосом, так и опосредует экспорт в Ран-ГТП зависимая мода. Он распознает молекулы, которые лейцин - богатые сигналы ядерного экспорта. Crm1 притягивается к большой 60S-субъединице с помощью адаптерного белка, называемого Nmd3. Адаптерный белок для блока 40S неизвестен. Помимо Crm1, другие факторы играют роль в ядерном экспорте пре-рибосом. Общий рецептор экспорта мРНК, называемый Mex67, а также белок, содержащий повторы HEAT, Rrp12, облегчают экспорт обеих субъединиц. Эти факторы являются несущественными белками и помогают оптимизировать экспорт пре-рибосом, поскольку они представляют собой большие молекулы.[3]

Контроль качества

Потому что рибосомы настолько сложны, что определенное количество рибосом собрано неправильно и потенциально может тратить клеточную энергию и ресурсы при синтезе нефункциональных белков. Чтобы предотвратить это, у клеток есть активная система наблюдения, позволяющая распознавать поврежденные или дефектные рибосомы и нацеливать их на деградацию. Имеется механизм наблюдения для обнаружения нефункциональных пре-рибосом, а также нефункциональных зрелых рибосом. Кроме того, система наблюдения предоставляет необходимое оборудование для деградации и фактически разрушает нефункциональные рибосомы.[1] Пре-рибосомы, которые накапливаются в ядре, разрушаются экзосома, который представляет собой мультисубъединичный комплекс с экзонуклеаза Мероприятия. Если дефектные рибосомные субъединицы действительно выходят из ядрышка и попадают в цитоплазму, существует вторая система наблюдения, нацеленная на дефектные рибосомы в цитоплазме для деградации. Определенные мутации в остатках большой субъединицы рибосомы фактически приводят к распаду РНК и, таким образом, к деградации этой единицы. Поскольку количество дефектов, которые возможны в сборке рибосом, настолько велико, до сих пор неизвестно, как система наблюдения обнаруживает все дефекты, но было постулировано, что вместо того, чтобы нацеливаться на конкретные дефекты, система наблюдения распознает последствия этих дефектов. - например, задержки при сборке. Это означает, что в случае нарушения сборки или созревания зрелой рибосомы система наблюдения будет действовать так, как если бы субъединица была дефектной.[3]

Болезнь человека

Основная статья: Рибосомопатия

Мутации в биогенезе рибосом связаны с несколькими человеческими рибосомопатия генетические заболевания, включая наследственные синдромы недостаточности костного мозга, которые характеризуются предрасположенностью к рак и уменьшенное количество клеток крови. Нарушение регуляции рибосом также может играть роль в атрофия мышц.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Кресслер, Дитер; Больно, Эд; Баблер, Йохен (2009). «Схема сборки рибосомы» (PDF). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1803 (6): 673–683. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2009.10.009. PMID  19879902.
  2. ^ Криста Конгер (26 июня, 2017). «Недавно выявленный процесс регуляции генов бросает вызов науке, - говорят исследователи». Внутри Стэнфордской медицины. 9 (12). Стэндфордский Университет.
  3. ^ а б c d е ж грамм час Томсон, Эмма; Феррейра-Черка, Себастьян; Больно, Эд (2013). "Биогенез эукариотических рибосом вкратце". Журнал клеточной науки. 126 (21): 4815–4821. Дои:10.1242 / jcs.111948. PMID  24172536.
  4. ^ Рут-Бернштейн, Мередит; Рут-Бернштейн, Роберт (21 февраля 2015 г.). «Рибосома как недостающее звено в эволюции жизни». Журнал теоретической биологии. 367: 130–158. Дои:10.1016 / j.jtbi.2014.11.025. PMID  25500179.
  5. ^ Thomson, E .; Ferreira-Cerca, S .; Хёрт, Э. (2013). "Биогенез эукариотических рибосом вкратце". Журнал клеточной науки. 126 (21): 4815–4821. Дои:10.1242 / jcs.111948. PMID  24172536.
  6. ^ "Homo sapiens 5S рибосомная РНК ». 2018-05-24. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  7. ^ "Homo sapiens 5.8S рибосомная РНК ". 2017-02-10. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  8. ^ "Homo sapiens 28S рибосомная РНК ". 2017-02-04. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ "Homo sapiens 18S рибосомная РНК ". 2017-02-04. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  10. ^ Лафонтен, Денис Л.Дж. (2010). «Мусорный бак для рибосом: как эукариоты разрушают свои рибосомы». Тенденции Biochem Sci. 35 (5): 267–77. Дои:10.1016 / j.tibs.2009.12.006. PMID  20097077.
  11. ^ Сардана, Р. Лю, X; Граннеман, S; Чжу, Дж; Гилл, М; Папулас, О; Marcotte, EM; Толлервей, Д; Correll, CC; Джонсон, AW (февраль 2015 г.). «DEAH-бокс-геликаза Dhr1 отделяет U3 от пре-рРНК, способствуя образованию центрального псевдоузла». PLOS Биология. 13 (2): e1002083. Дои:10.1371 / journal.pbio.1002083. ЧВК  4340053. PMID  25710520.
  12. ^ Коннолли, Мартин (2017). «miR-424-5p снижает синтез рибосомальной РНК и белка при истощении мышц». Журнал кахексии, саркопении и мышц. 9 (2): 400–416. Дои:10.1002 / jcsm.12266. ЧВК  5879973. PMID  29215200.