Экзосома

Основной лейтмотив, проходящий через явление процессинга молекул РНК, невзирая на то, являются ли они транскриптами, синтезируемыми РНК-полимеразой I, РНК-полимеразой II или РНК-полимеразой III, состоит в том, что ненужные (лишние) области (последовательности) в молекулах РНК удаляются с помощью экзонуклеаз. Известны экзонуклеазы, которые способны деградировать РНК в направлении 5^/→3^/, тогда как другие удаляют избыточные последовательности в направлении 3^/→5^/. Недавно был обнаружен крупный белковый комплекс, содержащий множество 3^/→5^/-экзонуклеаз, которые важны для процессинга большого числа молекул РНК; функционирование комплекса зависит от присутствия всех этих белков. Этот комплекс получил название экзосомы. Экзосома подрезает (подравнивает) 3^/-концы предшественников рРНК, мяРНК и малых ядрышковых РНК, а также расщепляет пре-мРНК не подвергшиеся сплайсингу и деградирует спейсерные области рРНК.

Интроны группы I и группы II

В более ранних разделах было описано, каким образом удаляются интроны из эукариотических пре-мРНК в ходе реакции трансэтерификации с использованием крупных РНК/белковых комплексов, был описан процесс удаления интронов из пре-тРНК с участием лишенной РНК эндонуклеазы и многофункциональной РНК-лигазы. В ходе других удивительных видов сплайсинга, также присутствующих у эукариот (и у прокариот также), интроны сами катализируют свое собственное выщепление. Эти саморасщепляющиеся молекулы РНК, известные как интрон-содержащие РНК группы I и группы II, складываются в специализированные структуры, которые выполняют две реакции трансэтерификации, подобные реакциям, характерным для сплайсинга пре-мРНК (см. рис. 15-14 А и В из книги).

Интроны группы I

В 1981 году исследователи, изучавшие инфузорию Tetrahymena thermophila, были крайне удивлены обнаружением того факта, что интрон в молекуле предшественника рРНК размером в 413 нуклеотидов оказался способным катализировать собственное удаление из этого предшественника. До этого времени все известные катализаторы сплайсинга были белками, а в этом случае катализатором оказалась РНК. Этот интрон предшественника рРНК может направлять множественные РНК-зависимые реакции расщепления/воссоединения и может даже действовать на другие молекулы РНК. Следовательно, он является истинным РНК-энзимом, который был позже назван рибозимом. Этот интрон Tetrahymena thermophila впоследствии стал прототипом для целого семейства самосплайсирующихся РНК известных как интроны группы I. Такие интроны обнаружены в пре-рРНК у других одноклеточных эукариот, в пре-мРНК митохондрий и хлоропластов многих низших организмов и в митохондриях высших растений. Они присутствуют даже у бактериофага Т4.

Несмотря на значительные отличия в их первичной структуре (в последовательности нуклеотидов) различные представители семейства РНК группы I складываются в консервативную третичную структуру способную обеспечить проведение двух реакций расщепления фосфодиэфирных связей совсем как при сплайсинге молекул пре-мРНК. Однако вместо атаки 5^/-сайта сплайсинга внутренним остатком А (адениловой кислоты) роль нуклеофила выполняет нековаленто связанный с пре-рРНК гуанозин, входящий в состав GTP, GDP или GMP. 3^/-ОН-группа этого гуанозинового нуклеотида, выступающего в качестве кофактора, атакует границу первого экзона и интрона и высвобождает экзон с образованием 3^/-конца. Затем образовавшаяся 3^/-ОН-группа экзона атакует 3^/-сайт сплайсинга соединяя при этом два экзона. Для складывания интрона в соответствующую третичную структуру требуется большое количество ионов Mg²⁺, которые обеспечивают удерживание в непосредственной близости 5^/- и 3^/-концов экзонов для последующего их соединения благодаря спариванию оснований во «внутренней направляющей последовательности» интрона. Вдобавок связывающий карман для гуанозинового кофактора формируется вблизи координированного иона Mg²⁺, который помогает активировать атакующий гидроксил (атакующую гидроксильную группу). Единственными условиями для процесса сплайсинга молекул РНК группы I in vitro является присутствие внешнего источника ионов Mg²⁺ и добавленного гуанозина. Однако в условиях in vivo вполне вероятно, что сплайсинг интронов группы I нуждается во вспомогательном действии специфических белков.

Интроны группы II

Интроны группы II объединяют второй класс самосплайсирующихся интронов. До сих пор они обнаружены только в митохондриях и хлоропластах растений и у грибов и хотя большинство из них расположено в генах, кодирующих белки, интроны группы II присутствуют также в генах некоторых тРНК и рРНК. Сплайсинг интронов группы II составляет особенный интерес для биологов-эволюционистов из-за интригующего сходства механизмов их сплайсинга и сплайсинга молекул пре-мРНК (см. рис. 15-14 в книге).

Подобно интронам группы I, РНК, принадлежащие к классу молекул включающих интроны группы II, складываются во вполне определенную третичную структуру. В нефизиологических условиях (умеренно повышенная температура и высокая концентрация ионов Mg²⁺) ряд интронов группы II способны к самостоятельному выщеплению себя из первичных молекул РНК в отсутствие любых белков. Однако они нуждаются в дополнительных направляющих факторах сплайсинга в условиях in vivo. Действительно несплайсируемые интроны группы II у грибов кодируют белки созревания (матуразы), которые помогают вырезать эти интроны. Реакции трансэтерификации выполняемые интронами группы II в точности соответствуют реакциям сплайсинга молекул пре-мРНК в ядре. Во-первых, 5^/-сайт сплайсинга атакуется внутренним аденозином, представляющим собой точку ветвления, с образованием промежуточной петли (сравните рис. 15-14В и рис. 15-6В). Освободившийся экзон атакует 3^/-сайт сплайсинга при этом происходит соединение двух экзонов. Наиболее ярким отличием этих двух видов сплайсинга является то, что даже в условиях in vitro сплайсинг пре-мРНК требует присутствия мяРНК U1, U2, U4, U5 и U6, а также 100 белковых факторов и энергетических затрат.

Интересно, что внутримолекулярная вторичная структура интронов группы II формирует каталитический центр, который имеет большое сходство с межмолекулярным спариванием оснований малых ядерных РНК в сплайсисоме (рис. 15-14С). Это подводит к предположению, что отдельные элементы, расположенные в интронах группы II, являются прародителями (предшественниками) аппарата сплайсинга ядерных пре-мРНК. В ходе эволюции каталитически активные элементы интронов группы II могли быть удалены из состава интронов и разделиться на несколько самостоятельных малых ядерных РНК. Благодаря комплементарному спариванию и опосредованным белками взаимодействиям эти молекулы РНК собрались в сплайсисому с формированием каталитического центра, похожего на каталитический центр интронов группы II. В результате образовалась структура способная действовать на множество различных молекул пре-мРНК. В сущности сплайсинг интрона у Chlamydomonas по-видимому является промежуточным случаем, где каталитический центр образован тремя разными молекулами РНК.