MikroRNA (miRNA)

 Bir mikroRNA (kısaltılmış miRNA), bitkilerde, hayvanlarda ve bazı virüslerde bulunan, RNA susturma ve gen ekspresyonunun transkripsiyon sonrası düzenlenmesinde işlev gören küçük, tek iplikli, kodlamayan bir RNA molekülüdür (yaklaşık 22 nükleotit içerir). miRNA'lar, mRNA molekülleri içindeki tamamlayıcı dizilerle baz eşleşmesi yoluyla işlev görür. Sonuç olarak, bu mRNA molekülleri, aşağıdaki süreçlerin bir veya daha fazlası ile susturulur: (1) mRNA ipliğinin iki parçaya bölünmesi, (2) poli(A) kuyruğunun kısaltılması yoluyla mRNA'nın istikrarsızlaştırılması ve ( 3) mRNA'nın ribozomlar tarafından proteinlere daha az verimli çevirisi.

miRNA'lar, RNA interferans (RNAi) yolunun küçük enterferans yapan RNA'larına (siRNA'lar) benzer, ancak miRNA'lar, kısa saç tokaları oluşturmak üzere kendi üzerlerine katlanan RNA transkript bölgelerinden türetilirken, siRNA'lar çift sarmallı RNA'nın daha uzun bölgelerinden türetilir. İnsan genomu 1900'den fazla miRNA'yı kodlayabilir, ancak daha yeni analizler sayının 600'e yakın olduğunu gösteriyor.

miRNA'lar birçok memeli hücre tipinde ve hücre dışı dolaşan miRNA'lar olarak bol miktarda bulunur. Dolaşan miRNA'lar, kan ve beyin omurilik sıvısı dahil olmak üzere vücut sıvılarına salınır ve bir dizi hastalıkta biyobelirteç olarak bulunma potansiyeline sahiptir. MiRNA'lar, insanların ve diğer memelilerin genlerinin yaklaşık %60'ını hedef alıyor görünmektedir. Birçok miRNA evrimsel olarak korunur, bu da önemli biyolojik fonksiyonlara sahip olduklarını gösterir. Örneğin, en azından memelilerin ve balıkların ortak atasından beri 90 miRNA ailesi korunmuştur ve bu korunmuş miRNA'ların çoğu, çalışmaların gösterdiği gibi önemli işlevlere sahiptir. bir ailenin bir veya daha fazla üyesi için genlerin farelerde nakavt edildiği.

Şekil 1: mRNA ile mikroRNA (miRNA) eyleminin şeması

Hedefler

Bitki miRNA'ları genellikle, hedef transkriptlerin bölünmesi yoluyla gen baskılanmasını indükleyen mRNA hedefleriyle mükemmele yakın bir eşleşmeye sahiptir. Buna karşılık, hayvan miRNA'ları, 6-8 kadar az nükleotit (tohum bölgesi) kullanarak hedef mRNA'larını tanıyabilir. hedef mRNA'ların bölünmesini indüklemek için yeterli eşleşme olmayan miRNA'nın 5' ucunda bulunur. Kombinatoryal düzenleme, hayvanlarda miRNA düzenlemesinin bir özelliğidir. Belirli bir miRNA, yüzlerce farklı mRNA hedefine sahip olabilir ve belirli bir hedef, birden fazla miRNA tarafından düzenlenebilir.

Tipik bir miRNA tarafından bastırma hedefi olan benzersiz haberci RNA'ların ortalama sayısının tahminleri, tahmin yöntemine bağlı olarak değişir, ancak çoklu yaklaşımlar, memeli miRNA'larının birçok benzersiz hedefe sahip olabileceğini göstermektedir. Örneğin, omurgalılarda yüksek oranda korunan miRNA'ların bir analizi, her birinin ortalama olarak yaklaşık 400 korunmuş hedefi olduğunu gösterir. Benzer şekilde deneyler, tek bir miRNA türünün yüzlerce benzersiz haberci RNA'nın kararlılığını azaltabileceğini göstermektedir. Diğer deneyler, tek bir miRNA türünün yüzlerce proteinin üretimini baskılayabildiğini, ancak bu baskının genellikle nispeten hafif olduğunu (2 kattan çok daha az) göstermektedir. MiRNA'ların deregülasyonu ile ilişkili olduğu keşfedilen ilk insan hastalığı, kronik lenfositik lösemi idi. Bunu diğer B hücre maligniteleri izledi.

Biyogenez

MiRNA genlerinin %40 kadarı diğer genlerin intronlarında ve hatta ekzonlarında bulunabilir. Bunlar, münhasıran olmamakla birlikte, genellikle, bir anlam yöneliminde bulunur ve bu nedenle, genellikle konakçı genleriyle birlikte düzenlenir.

DNA şablonu, olgun miRNA üretiminin son sözü değildir: insan miRNA'larının %6'sı, DNA'ları tarafından kodlananlardan farklı ürünler elde etmek için RNA dizilerinin bölgeye özgü modifikasyonu olan RNA düzenlemesini (IsomiR'ler) gösterir. Bu, miRNA eyleminin çeşitliliğini ve kapsamını, yalnızca genomdan kaynaklananın ötesinde artırır.

Şekil 2:  Transkripsiyondan efektör kompleksinin oluşumuna kadar hayvanlarda mikroRNA işlemeye genel bakış. Biri bağımsız genlerden gelen mikroRNA'lar için diğeri intronik mikroRNA'lar için olmak üzere iki yol vardır. Resimdeki enzimler: Drosha, Pasha (pri-miRNA → pre-miRNA) Spliceosome (pre-mRNA → intron lariat) Debranching enzim (intron lariat → pre-miRNA'ya katlanabilen RNA) RAN-GTP, Exportin-5 (export) Dicer (pre-miRNA → miRNA) Kısaltmalar: pri-miRNA = birincil mikroRNA transkripti pre-mRNA = öncü haberci RNA ön-miRNA = öncü mikroRNA miRNA = mikroRNA miRNA* = antisens mikroRNA miRNP = mikroRNA ribonükleoprotein

Transkripsiyon

miRNA genleri genellikle RNA polimeraz II (Pol II) tarafından kopyalanır. Polimeraz sıklıkla DNA dizisinin yakınında bulunan ve pre-miRNA'nın saç tokası halkasının ne olacağını kodlayan bir promotöre bağlanır. Ortaya çıkan transkript, 5' ucunda özel olarak modifiye edilmiş bir nükleotit ile kapatılır, çoklu adenozinlerle (bir poli(A) kuyruğu) poliadenillenir ve birleştirilir. Hayvan miRNA'ları başlangıçta ∼80 nükleotidlik bir RNA kök döngüsünün bir kolunun parçası olarak kopyalanır ve bu da bir prim-miRNA olarak adlandırılan birkaç yüz nükleotid uzunluğundaki miRNA öncüsünün bir parçasını oluşturur. 3' UTR'de bir kök-ilmek öncüsü bulunduğunda, bir transkript bir pri-miRNA ve bir mRNA olarak hizmet edebilir. RNA polimeraz III (Pol III), bazı miRNA'ları, özellikle yukarı akış Alu dizileri, transfer RNA'ları (tRNA'lar) ve memeli geniş serpiştirilmiş tekrar (MWIR) promotör birimlerini kopyalar.

Nükleer İşleme

Tek bir pri-miRNA, bir ila altı miRNA öncüsü içerebilir. Bu firkete ilmek yapıları, her biri yaklaşık 70 nükleotitten oluşur. Her saç tokası, verimli işleme için gerekli dizilerle çevrilidir.

Bir pri-miRNA'daki saç tokalarının çift sarmallı RNA (dsRNA) yapısı, DiGeorge Sendromu ile ilişkisi nedeniyle adlandırılan DiGeorge Sendromu Kritik Bölge 8 (omurgasızlarda DGCR8 veya "Paşa") olarak bilinen bir nükleer protein tarafından tanınır. DGCR8, Mikroişlemci kompleksini oluşturmak için RNA'yı kesen bir protein olan Drosha enzimi ile birleşir. Bu komplekste, DGCR8, saç tokası tabanından yaklaşık on bir nükleotid (bir sarmal dsRNA gövdeye dönüşüyor) RNA'yı ayırarak pri-miRNA'lardan saç tokalarını serbest bırakmak için Drosha'nın katalitik RNase III alanını yönlendirir. 3' ucu; 3' hidroksil ve 5' fosfat gruplarına sahiptir. Genellikle pre-miRNA (prekürsör-miRNA) olarak adlandırılır. Verimli işleme için önemli olan pre-miRNA'nın akış aşağısındaki dizi motifleri tanımlanmıştır. Mikroişlemci kompleksini atlayarak doğrudan intronlardan birleştirilen ön miRNA'lar "Mirtronlar" olarak bilinir. Başlangıçta yalnızca Drosophila ve C. elegans'ta var olduğu düşünülen mirtronlar artık memelilerde bulunmuştur.

Ön miRNA'ların %16'sı nükleer RNA düzenlemesi yoluyla değiştirilebilir. En yaygın olarak, RNA (ADAR'lar) üzerinde etkili olan adenosin deaminazlar olarak bilinen enzimler, adenozin'den inozine (A'dan I'ye) geçişleri katalize eder. RNA düzenlemesi nükleer işlemeyi durdurabilir (örneğin, pri-miR-142'nin ribonükleaz Tudor-SN tarafından bozunmaya yol açmasına yol açar) ve sitoplazmik miRNA işleme ve hedef özgüllüğü (örn. miR-376'nın tohum bölgesini değiştirerek) dahil olmak üzere akış aşağı süreçleri değiştirebilir. merkezi sinir sisteminde).

Şekil 3: İki DGCR8 molekülünün (yeşil) C-terminal sarmalları ile kompleks halinde insan Drosha proteininin kristal yapısı. Drosha, iki ribonükleaz III alanından (mavi ve turuncu) oluşur; bir çift sarmallı RNA bağlanma alanı (sarı); ve iki bağlı çinko iyonu (küre) içeren bir bağlayıcı/platform alanı (gri)

RNA Kaynaklı Susturma Kompleksi

Olgun miRNA, Dicer ve birçok ilişkili protein içeren aktif bir RNA kaynaklı susturma kompleksinin (RISC) parçasıdır. RISC ayrıca bir mikroRNA ribonükleoprotein kompleksi (miRNP) olarak da bilinir; Dahil edilmiş miRNA'lı bir RISC'ye bazen "miRISC" denir.

Pre-miRNA'nın Dicer işleminin, dupleksin çözülmesiyle birleştiği düşünülmektedir. Genel olarak, termodinamik kararsızlığı ve diğer diziye göre 5' ucunda daha zayıf baz eşleşmesi temelinde seçilen miRISC'ye yalnızca bir iplik dahil edilir. Kök halkanın konumu da iplik seçimini etkileyebilir. Sabit durumdaki daha düşük seviyeleri nedeniyle yolcu şeridi olarak adlandırılan diğer şerit, bir yıldız işaretiyle (*) gösterilir ve normalde bozulmuştur. Bazı durumlarda, dupleksin her iki zinciri de yaşayabilir ve farklı mRNA popülasyonlarını hedefleyen fonksiyonel miRNA haline gelir.

Argonaute (Ago) protein ailesinin üyeleri, RISC işlevinin merkezinde yer alır. Argonotlar miRNA kaynaklı susturma için gereklidir ve iki korunmuş RNA bağlanma alanı içerir: olgun miRNA'nın tek sarmallı 3' ucunu bağlayabilen bir PAZ alanı ve yapısal olarak ribonükleaz-H'ye benzeyen ve 5' ile etkileşime girme işlevi gören bir PIWI alanı. kılavuz şeridin sonu. Olgun miRNA'yı bağlarlar ve onu bir hedef mRNA ile etkileşime yönlendirirler. Bazı argonotlar, örneğin insan Ago2'si, hedef transkriptleri doğrudan böler; argonotlar ayrıca translasyonel baskıyı elde etmek için ek proteinler de toplayabilir. İnsan genomu, dizi benzerliklerine göre iki aileye ayrılan sekiz argonaut proteini kodlar: AGO (dört üye tüm memeli hücrelerinde bulunur ve insanlarda E1F2C/hAgo olarak adlandırılır) ve PIWI (germ hattında ve hematopoietik kök hücrelerde bulunur). Ek RISC bileşenleri arasında TRBP [insan immün yetmezlik virüsü (HIV) transaktive edici yanıt RNA (TAR) bağlayıcı protein], PACT (interferon kaynaklı protein kinazın protein aktivatörü), SMN kompleksi, frajil X mental retardasyon proteini (FMRP), Tudor stafilokok bulunur. nükleaz alanı içeren protein (Tudor-SN), varsayılan DNA helikaz MOV10 ve protein TNRC6B içeren RNA tanıma motifi.

Susturma Modu ve Düzenleyici Döngüler

Gen susturma, ya mRNA bozulması yoluyla ya da mRNA'nın çevrilmesini önleyerek meydana gelebilir. Örneğin miR16, TNF alfa veya GM-CSF gibi birçok kararsız mRNA'nın 3'UTR'sinde bulunan AU açısından zengin öğeye tamamlayıcı bir dizi içerir. MiRNA ve hedef mRNA dizisi arasında tam bir tamamlayıcılık verildiğinde, Ago2'nin mRNA'yı parçalayabildiği ve doğrudan mRNA bozulmasına yol açabildiği gösterilmiştir. Tamamlayıcılığın yokluğunda, çeviri engellenerek susturma sağlanır. miRNA ve onun hedef mRNA'sı arasındaki ilişki, bir hedef mRNA'nın basit negatif düzenlenmesine dayanabilir, ancak yaygın bir senaryonun, "uyumlu bir ileri besleme döngüsü", "karşılıklı negatif geri besleme döngüsü" (aynı zamanda olarak da adlandırılır) kullanımı olduğu görülmektedir. çift ​​negatif döngü) ve "pozitif geri besleme/ileri besleme döngüsü". Bazı miRNA'lar, transkripsiyon, translasyon ve protein stabilitesindeki stokastik olaylardan kaynaklanan rastgele gen ekspresyonu değişikliklerinin tamponları olarak çalışır. Bu tür bir düzenleme, tipik olarak, negatif geri besleme döngüleri veya tutarsız ileri besleme döngüsü sayesinde mRNA transkripsiyonundan protein çıktısını ayırarak elde edilmektedir.