Полиаденили́рование — это процесс присоединения большого количества остатков аденозинмонофосфата (поли(А)-хвоста) к 3'-концу первичной мРНК (пре-мРНК). Иными словами, поли(А)-хвост — это фрагмент молекулы мРНК, азотистые основания которого представлены только аденином. У эукариот полиаденилирование является частью процессинга мРНК — процесса созревания первичного транскрипта в зрелую мРНК, готовую для трансляции. Процессинг, в свою очередь, является одним из этапов экспрессии генов.
Полиаденилирование начинается, когда завершается транскрипция гена, то есть образование первичного транскрипта. Перед началом полиаденилирования особый мультисубъединичный белковый комплекс отщепляет 3'-концевой участок первичного транскрипта. Место расщепления определяется положением универсальных сигнальных последовательностей в первичном транскрипте; в некоторых случаях расщепление может происходить в нескольких альтернативных сайтах. Таким образом, полиаденилирование даёт возможность для образования различных мРНК одного гена (альтернативное полиаденилирование), подобно тому, как это происходит при альтернативном сплайсинге. После формирования нового 3'-конца транскрипта компонент белкового комплекса поли(А)-полимераза осуществляет синтез поли(А)-хвоста, используя 3'-концевой нуклеотид как затравку.
Поли(А)-хвост играет важную роль в транспорте мРНК из ядра, её трансляции и стабильности. Со временем поли(А)-хвост укорачивается, и, когда его длина станет достаточно малой, мРНК разрушается под действием специальных ферментов. Однако в клетках некоторых типов мРНК с короткими поли(А)-хвостами запасаются в цитозоле для дальнейшей активации путём реполиаденилирования. У бактерий, напротив, полиаденилирование запускает разрушение транскрипта. Подобный эффект полиаденилирования отмечен и для некоторых эукариотических некодирующих РНК.
Ядерное полиаденилирование
Функции При ядерном полиаденилировании поли(А)-хвост присоединяется к мРНК в конце транскрипции. Полиаденилирование защищает мРНК от ферментативного разрушения в цитоплазме, способствует терминации транскрипции, участвует в экспорте мРНК из ядра и трансляции. Практически все эукариотические мРНК полиаденилируются, исключением являются мРНК гистонов, образование которых зависит от циклов репликации исходной ДНК. Они являются единственными эукариотическими мРНК, у которых отсутствует поли(А)-хвост, вместо него на 3'-конце транскрипта располагается шпилька, за которой находится обогащённая пуринами последовательность (гистоновый нисходящий элемент ()), отмечающая место, где был произведён разрез исходного транскрипта.
Многие эукариотические некодирующие РНК также полиаденилируются в конце трансляции. Среди них есть малые РНК, у которых поли(А)-хвост имеется лишь на промежуточной стадии, но удаляется в ходе процессинга и отсутствует у зрелых молекул (таковы, например, микроРНК). Однако у многих длинных некодирующих РНК, по-видимому, являющихся обширной группой регуляторных РНК (например, у РНК Xist, задействованной в инактивации Х-хромосомы), поли(А)-хвост является частью зрелой РНК.
Механизм Задействованные белки: : фактор специфичности разрезания и полиаденилирования РНК : фактор стимуляции разрезания : полиаденилатполимераза : полиаденилат-связывающий белок 2 : фактор разрезания I : фактор разрезания II В ядре аппарат полиаденилирования работает с продуктами активности РНК-полимеразы II, например, . При этом мультибелковый комплекс (см. справа) отрезает наиболее близкую к 3'-концу часть транскрипта и полиаденилирует образовавшийся в результате разреза конец. Этот разрез катализируется ферментом и происходит на 10—30 нуклеотидов ниже его сайта связывания. Обычно сайтом связывания CPSF служит последовательность AAUAAA, однако возможны и другие последовательности, с которыми CPSF связывается более слабо. Специфичность связывания с РНК обеспечивается двумя другими белками: CstF и CFI. CstF связывается с GU-богатым участком РНК ниже сайта связывания CPSF. CFI связывается со специальным сайтом на РНК (у млекопитающих это набор последовательностей UGUAA) и может обеспечить связывание CPSF с транскриптом даже в отсутствие сигнала AAUAAA. Сигнал полиаденилирования — особая последовательность, распознаваемая белковым комплексом, разрезающим РНК — варьирует у различных групп эукариот. У человека сигналом полиаденилирования в большинстве случаев служит последовательность AAUAAA, но у растений и грибов она является сигналом полиаденилирования реже.
Обычно разрезание РНК происходит до завершения транскрипции, поскольку CstF также связывается с РНК-полимеразой II. CstF служит сигналом к диссоциации от цепи для РНК-полимеразы II, однако механизм этого сигнала плохо понятен. В разрезании также принимает участие белок CFII, однако его роль ещё не ясна. Сайт разрезания связан с сигналом полиаденилирования, и его длина может составлять до 50 нуклеотидов.
После разрезания РНК начинается полиаденилирование, катализируемое ферментом (поли(А)-полимеразой). Поли(А)-полимераза осуществляет наращивание поли(А)-хвоста, добавляя к РНК АМФ, получаемый из АТФ с высвобождением пирофосфата. Другой белок — PAB2 — связывается с новым, ещё коротким поли(А)-хвостом и увеличивает сродство поли(А)-полимеразы к РНК. Когда длина поли(А)-хвоста достигает приблизительно 250 нуклеотидов, поли(А)-полимераза более не может быть связанной с CPSF и полиаденилирование останавливается, тем самым детерминируя длину поли(А)-хвоста. Поскольку CPSF также связан с РНК-полимеразой II, он посылает ей сигнал о прекращении транскрипции. Когда РНК-полимераза II достигает терминирующей последовательности (ТТАТТ на ДНК-матрице и AAUAAA на первичном транскрипте), происходит терминация транскрипции. Аппарат полиаденилирования также физически связан со сплайсосомой — комплексом, вырезающим интроны из РНК.
Последующие эффекты
Поли(А)-хвост выступает сайтом связывания для (PABP). PABP способствует экспорту РНК из ядра и трансляции, в то же время подавляя её деградацию. Связывание этого белка с поли(А)-хвостом происходит до экспорта РНК из ядра. У дрожжей PABP привлекает к транскрипту поли(А)-нуклеазу — фермент, укорачивающий поли(А)-хвост и тем самым делающий возможным транспорт РНК из ядра. Вместе с РНК в цитоплазму перемещается и РАВР. мРНК, не экспортированные в цитоплазму, разрушаются специальным комплексом — экзосомой. РАВР также способен связываться и привлекать к транскрипту ряд белков, оказывающих влияние на трансляцию, например, 4G, который, в свою очередь, участвует в привлечении к мРНК рибосомной субъединицы 40S. Кроме того, PABP за счёт связывания с факторами инициации трансляции, связанными с 5'-концом мРНК, обеспечивает образование замкнутой петли из линейной мРНК (циркуляризацию мРНК). По-видимому, циркуляризация мРНК обеспечивает эффективную «круговую» трансляцию, при которой за счёт сближенности 5'- и 3'-концов рибосома, подошедшая к 3'-концу мРНК, не диссоциирует от неё, а сразу переходит на 5'-конец и начинает новый раунд трансляции. Наконец, кроме общих механизмов воздействия PABP на трансляцию, они могут специфически влиять на трансляцию отдельных мРНК. Тем не менее, поли(А)-хвост не является необходимым для трансляции всех мРНК.
Деаденилирование В соматических клетках эукариот поли(А)-хвост в цитоплазме укорачивается, и мРНК с укороченными поли(А)-хвостами меньше транслируются и быстрее деградируются. Однако до полной деградации мРНК может пройти несколько часов. Это деаденилирование и деградация мРНК могут ускоряться микроРНК, связывающимися с 3'-нетранслируемой областью (3'-UTR) транскрипта. В ооцитах мРНК с укороченными поли(А)-хвостами не разрушаются, а запасаются в неактивном виде без трансляции и впоследствии активируются путём цитоплазматического полиаденилирования, происходящего после оплодотворения в ходе . Это явление получило название «маскирование мРНК».
У животных может связываться с кэпом и при этом удалять нуклеотиды с поли(А)-хвоста. Доступность связывания с кэпом и поли(А)-хвостом важна для регуляции того, как скоро мРНК будет разрушена. PARN имеет меньшую деаденилирующую активность, если с РНК связаны факторы инициации трансляции 4E в области кэпа и 4G на поли(А)-хвосте, поэтому трансляция сокращает деаденилирование. Скорость деаденилирования может также регулироваться . После удаления с транскрипта поли(А)-хвоста декэпирующий комплекс убирает кэп, что ведёт к деградации РНК. У дрожжей также было идентифицировано несколько других ферментов, задействованных в деаденилировании.
Альтернативное полиаденилирование
Многие белоккодирующие гены могут иметь более одного сайта полиаденилирования, поэтому с одного и того же гена можно получить несколько РНК, различающихся своими 3'-концами. Это явление получило название альтернативного полиаденилирования. Поскольку альтернативное полиаденилирование изменяет длину 3'-UTR, оно может повлиять на то, какие сайты связывания с микроРНК останутся на транскрипте. Обычно микроРНК подавляют трансляцию и запускают деградацию мРНК, с которыми они связаны, хотя известны примеры, когда микроРНК стабилизирует транскрипт. Альтернативное полиаденилирование может также изменить длину кодирующей области, из-за чего получающиеся мРНК будут кодировать различные белки, однако такое явление встречается реже, чем укорочение 3'-UTR.
Выбор сайта полиаденилирования может зависеть от внеклеточных стимулов и экспрессии определённых белков, участвующих в полиаденилировании. Например, экспрессия белка — субъединицы CstF — активирует макрофаги в ответ на липополисахариды (группа бактериальных соединений, вызывающих иммунный ответ). Это приводит к выбору более слабого сайта полиаденилирования и образованию более коротких транскриптов с укороченной 3'-UTR у генов, белковые продукты которых участвуют в осуществлении защитной реакции (например, лизоцима и TNF-α). В результате в этих транскриптах отсутствуют некоторые регуляторные элементы, локализующиеся в 3'-UTR, что увеличивает их срок жизни и даёт возможность для образования большего количества защитных белков. Роль в выборе сайта полиаденилирования могут играть и белки, не связанные непосредственно с аппаратом полиаденилирования, например, усиливающие метилирование ДНК рядом с сайтом полиаденилирования.
Цитоплазматическое полиаденилирование В некоторых клетках животных, а именно клетках зародышевой линии в ходе раннего эмбриогенеза, а также постсинаптических участках нейронов происходит полиаденилирование в цитозоле. В ходе цитоплазматического полиаденилирования происходит удлинение поли(А)-хвоста у инактивированных мРНК с укороченным поли(А)-хвостом. В результате цитоплазматического полиаденилирования они активируются и транслируются. До этого длина поли(А)-хвоста таких мРНК составляет около 20 нуклеотидов, а в ходе цитоплазматического полиаденилирования он удлиняется до 80—150 нуклеотидов.
В раннем эмбрионе мыши цитоплазматическое полиаденилирование инактивированных материнских мРНК, содержавшихся в яйцеклетке до оплодотворения, позволяет клеткам выжить и расти, хотя транскрипция в самом зародыше начинается на двуклеточной (у человека — четырёхклеточной) стадии. В мозге цитоплазматическое полиаденилирование активируется в процессе обучения и может играть роль в долговременной потенциации.
В цитоплазматическом полиаденилировании задействованы РНК-связывающие белки CPSF и CPEB, кроме того, в нём могут и участвовать другие РНК-связывающие белки, например, . В зависимости от типа клеток цитоплазматическое полиаденилирование может осуществлять либо поли(А)-полимераза, идентичная той, что задействована в ядерном полиаденилировании, либо цитоплазматическая полимераза GLD-2.
Роль в деградации РНК у эукариот