Čo je interferencia RNA? Tento termín označuje systém na riadenie aktivity génov v eukaryotických bunkách. K podobnému procesu dochádza v dôsledku krátkych (nie viac ako 25 nukleotidov na reťazec) molekúl ribonukleovej kyseliny.
RNA interferencia je charakterizovaná post-transkripčnou inhibíciou génovej expresie prostredníctvom deštrukcie alebo deadenylácie mRNA.
Významnosť
Našiel sa v bunkách mnohých eukaryotov: húb, rastlín, zvierat.
Interferencia RNA sa považuje za dôležitý spôsob ochrany buniek pred vírusmi. Zúčastňuje sa procesu embryogenézy.
Vďaka silnému a selektívnemu charakteru účinku ribonukleovej kyseliny na génovú expresiu je možné uskutočniť seriózny biologický výskum na živých organizmoch, bunkových kultúrach.
Predtým mala RNA interferencia iný názov – kosupresia. Po podrobnom preštudovaní tohto procesu, získaní Nobelovej ceny za medicínu za štúdium mechanizmu jeho výskytu Andrewom Firem a Craigom Melom, bol tento proces premenovaný.
História
Čo je interferencia RNA? Jeho objav je spôsobený vážnym predbežným pozorovaním pod vplyvomantisense RNA inhibícia expresie v rastlinných génoch.
O nejaký čas neskôr dosiahli americkí vedci úžasné výsledky, keď boli do petúnií zavedené transgény. Výskumníci sa pokúsili upraviť analyzovanú rastlinu tak, aby kvety získali sýtejší odtieň. Za týmto účelom vniesli do buniek ďalšie kópie génu pre enzým chalkónsyntáza, ktorý je zodpovedný za tvorbu purpurového pigmentu.
Výsledky štúdie však boli úplne nepredvídateľné. Namiesto požadovaného stmavnutia koruny petúnie sa kvety tejto rastliny stali bielymi. Znížená aktivita enzýmu chalkónsyntáza sa nazýva kosupresia.
Dôležité body
Nasledujúce experimenty odhalili vplyv na tento proces post-transkripčnej inhibície génovej expresie v dôsledku zvýšenia úrovne degradácie mRNA.
V tom čase bolo známe, že tie rastliny, ktoré exprimujú špeciálne proteíny, nie sú náchylné na infekciu vírusom. Experimentálne sa zistilo, že získanie takejto rezistencie sa dosiahne zavedením krátkej nekódujúcej sekvencie vírusovej RNA do génu rastliny.
Interferencia RNA, ktorej mechanizmus stále nie je úplne objasnený, sa nazýva „vírusom indukované umlčanie génov“.
Biológovia začali nazývať súhrn takýchto javov post-transkripčnou inhibíciou génovej expresie.
Andrew Fire a jeho kolegovia dokázali súvislosť medzi podobným javom a zavedením množiny sémantickýchRNA a antisense tvoriaca dvojvláknová RNA. Bola to ona, ktorá bola uznaná ako hlavný dôvod objavenia sa opísaného procesu.
Funkcie molekulárnych mechanizmov
Proteín Giardia intestinalis Dicer je katalyzovaný štiepením dvojvláknovej RNA za vzniku malých interferujúcich fragmentov RNA. Doména RNAázy je zelená, doména PAZ žltá a väzbová špirála modrá.
Aplikácia interferencie RNA je založená na exogénnych a endogénnych dráhach.
Prvý mechanizmus je založený na genóme vírusu alebo je výsledkom laboratórnych experimentov. Takáto RNA sa v cytoplazme štiepi na malé fragmenty. Druhý typ vzniká pri expresii jednotlivých génov živého organizmu, napríklad pre-mikro RNA. Zahŕňa vytvorenie špecifických štruktúr kmeňových slučiek v jadre, čím sa tvoria mRNA, ktoré interagujú s komplexom RISC.
Malé interferujúce RNA
Sú to reťazce pozostávajúce z 20-25 nukleotidov s nukleotidovými výbežkami na koncoch. Každý reťazec má hydroxylovú časť na 3' konci a fosfátovú skupinu na 5' časti. Štruktúra tohto typu sa vytvára ako výsledok pôsobenia enzýmu Dicer na RNA obsahujúce vlásenky. Po štiepení sa fragmenty stanú súčasťou katalytického komplexu. Proteín argonaut postupne odmotáva duplex RNA, čo prispieva k tomu, že v RISC zostáva len jedno „vodiace“vlákno. Umožňuje efektorovému komplexu hľadať špecifickú cieľovú mRNA. Pri pripájaníDochádza k degradácii mRNA komplexu siRNA-RISC.
Tieto molekuly hybridizujú s jedným typom cieľovej mRNA, čo vedie k štiepeniu molekuly.
mRNA
Interferencia RNA a ochrana rastlín sú vzájomne prepojené procesy.
mRNA pozostáva z 21-22 po sebe idúcich nukleotidov endogénneho pôvodu, ktoré sa podieľajú na procese individuálneho vývoja organizmov. Jeho gény sú transkribované tak, aby vytvorili dlhé primárne transkripty pri-miRNA transkriptov. Tieto štruktúry majú tvar stonky-slučky, ich dĺžka pozostáva zo 70 nukleotidov. Obsahujú enzým s RNázovou aktivitou, ako aj proteín schopný viazať dvojvláknovú RNA. Ďalej prebieha transport do cytoplazmy, kde sa výsledná RNA stáva substrátom pre enzým Dicer. Spracovanie môže prebiehať rôznymi spôsobmi v závislosti od typu bunky.
Takto funguje interferencia RNA. Aplikácia procesu ešte nebola úplne preskúmaná.
Napríklad bolo možné stanoviť možnosť inej cesty spracovania mRNA, ktorá nezávisí od Diser. V tomto prípade je molekula rozrezaná proteínom argonautu. Rozdiel medzi miRNA a siRNA je schopnosť inhibovať transláciu niekoľkými rôznymi mRNA, ktoré obsahujú podobné aminokyselinové sekvencie.
RISC efektorový komplex
interferencia RNA,ktorých biologické funkcie umožňujú riešiť mnohé problémy súvisiace s proteínovým komplexom, ktorý zabezpečuje štiepenie mRNA pri interferencii. Komplex RISC podporuje delenie ATP na niekoľko fragmentov.
Pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy sa zistilo, že pomocou takéhoto komplexu sa proces výrazne urýchli. Za jeho katalytickú časť sa považujú proteíny argonautov, ktoré sú lokalizované na určitých miestach v cytoplazme. Takéto P-telieska predstavujú oblasti s významnými úrovňami degradácie RNA, práve v nich bola zistená najvyššia aktivita mRNA. Deštrukcia takýchto komplexov je sprevádzaná znížením účinnosti procesu interferencie RNA.
Metódy potlačenia transkripcie
Okrem účinku na úrovni translačnej inhibície má RNA vplyv aj na transkripciu génov. Niektoré eukaryoty používajú tento spôsob na zabezpečenie stability štruktúry genómu. Vďaka modifikácii histónov je možné v určitej oblasti znížiť génovú expresiu, keďže takýto kúsok prechádza do formy heterochromatínu.
Interferencia RNA a jej biologická úloha je dôležitou otázkou, ktorá si zaslúži seriózne štúdium a analýzu. Pri výskume sa berú do úvahy tie časti reťazca, ktoré sú zodpovedné za typ párovania.
Napríklad u kvasiniek sa potlačenie transkripcie vykonáva presne komplexom RISC, ktorý obsahuje fragment Chp1 s chromodoménou, argonautom a proteínom, ktorý máneznáma funkcia Tas3.
Na vyvolanie tvorby heterochromatínových oblastí je potrebný Dicerov enzým, RNA polymeráza. Delenie takýchto génov vedie k porušeniu metylácie histónov, vedie k spomaleniu bunkového delenia alebo k úplnému zastaveniu tohto procesu.
Úprava RNA
Najčastejšou formou tohto procesu u vyšších eukaryotov je proces premeny adenozínu na inozín, ktorý sa vyskytuje v dvojvlákne RNA. Na uskutočnenie takejto transformácie sa používa enzým adenozíndeamináza.
Začiatkom 21. storočia bola predložená hypotéza, podľa ktorej sa mechanizmus interferencie RNA a úpravy molekuly považovali za kompetitívne procesy. Štúdie na cicavcoch naznačujú, že úprava RNA môže zabrániť umlčaniu transgénu.
Rozdiely medzi organizmami
Spočíva v schopnosti vnímať cudzie RNA, aplikovať ich pri interferencii. Pre rastliny je tento účinok systémový. Aj v prípade mierneho zavedenia RNA dochádza k potlačeniu určitého génu v celom tele. Touto akciou sa signál RNA prenáša medzi ostatnými bunkami. RNA polymeráza sa podieľa na jej amplifikácii.
Medzi organizmami je rozdiel v použití cudzích génov v procese RNA interferencie.
V rastlinách prebieha proces transportu siRNA prostredníctvom plazmodesmat. Dedičnosť takýchto účinkov RNA je zabezpečená metyláciou promótorov určitých génov.
Hlavný rozdiel medzi týmto mechanizmom arastlín je ideálna komplementarita ich mRNA, ktorá spolu s komplexom RISC prispieva k úplnej degradácii tejto molekuly.
Biologické funkcie
Tento systém je dôležitou súčasťou imunitnej odpovede na cudzie materiály. Napríklad rastliny majú niekoľko analógov proteínu Dicer, ktoré sa používajú na boj proti mnohým vírusovým organizmom.
RNA možno považovať za rastlinou získaný antivírusový obranný mechanizmus, ktorý sa spúšťa v celom tele.
Napriek tomu, že v živočíšnych bunkách sa exprimuje oveľa menej proteínu Dicer, môžeme hovoriť o účasti RNA na antivírusovej odpovedi.
V súčasnosti sú imunitné reakcie vyskytujúce sa v tele ľudí a zvierat čiastočne študované.
Biológovia pokračujú vo výskume a snažia sa nielen podložiť mechanizmy ich výskytu, ale aj nájsť spôsoby, ako ovplyvniť imunitné interakcie. V prípade úspešného vysvetlenia všetkých nuancií RNA interferencie budú vedci schopní kontrolovať tieto biochemické reakcie a vytvárať mechanizmy ochrany pred cudzími telesami.
