РНК редактирование хлоропластных мРНК растений: общие сведения
РНК-редактирование в хлоропластах было обнаружено при анализе рибосомного гена rpl2. В геномной последовательности этого гена отсутствует инициирующий кодон ATG. У других видов (табака, маршанции) ATG-кодон в этом гене имеется. Тот же участок у кукурузы представлен триплетом ACG, поэтому первоначально было высказано предположение о том, что в хлоропластах кукурузы этот кодон может в виде исключения быть инициирующим [ Hiratsuka ea 1989 ]. Однако секвенирование кДНК rpl2 кукурузы показало, что транскрипт несет обычный инициирующий кодон AUG. Так было доказано, что в мРНК произошла замена C-U, и был открыт эдитинг в хлоропластах [ Hoch ea 1991 ]. C-U-замены с образованием инициирующего кодона были также выявлены в rpl-генах табака, шпината и др. [ Kudla ea 1992 , Bock ea 1993 ] и в ndhD-генах нескольких видов [ Neckcrmann ea 1994 ].
Чтобы оценить, насколько распространен феномен редактирования в хлоропластах растений, был проведен скрининг нескольких белок-кодирующих областей в растениях разных видов. Такой скрининг состоит из:
1) сравнения аминокислотных последовательностей, теоретически предска- занных на основе секвенированных хлоропластных генов разных видов;
2) выявления позиций, в которых обнаруживаются различия аминокислотного состава и которые могут быть ликвидированы C-U-эдитингом на уровне мРНК;
3) экспериментального подтверждения такого редактирования путем секвенирования соответствующих кДНК [ Bock ea 1997 ].
На рис. 4 приведен результат анализа хлоропластного ndhA и гомологичного митохондриального ndhl генов, позволивший обнаружить четыре сайта редактирования.
Редактирование первого сайта у кукурузы приводит к включению лейцина в состав белка NdhA, который у трех других исследованных видов кодируется геномно. Сходным образом восстанавливается лейциновый кодон в результате эдитинга сайтов II и III, причем последний - не только в хлоропластном, но и в митохондриальном транскрипте ndhl всех трех исследованных видов растений. Наконец, сериновый кодон в IV сайте эдитинга превращается у кукурузы, риса и табака в фенилаланиновый, который у филогенетически более древней маршанции кодируется геномно. Таким образом, все обнаруженные аминокислотные замены в результате редактирования восстанавливают филогенетически "традиционные" аминокислотные последовательности в белках, которые, очевидно, важны структурно и функционально. Этот вывод оказался справедлив почти для всех сайтов эдитинга, выявленных у хлоропластных мРНК. На основе полной нуклеотидной последовательности хлоропластного генома кукурузы был проведен компьютерный поиск сайтов эдитинга. С помощью секвенирования кДНК исследовали более 50% пластидных мРНК, которые сравнивали с соответствующими пластомными ДНК-последовательностями. Из 200 предполагаемых сайтов редактирования удалось обнаружить 27 C-U-замен [ Bock ea 1997 ]. На рис. 5 приведена карта пластидного генома кукурузы с сайтами эдитинга. Процент кодонов, изменяющихся в результате эдитинга, в хп-мРНК кукурузы оказался весьма низким - 0.13%. Тридцать один сайт редактирования пластома найден у табака [ Hirose ea 1999 ]. В целом в хлоропластном геноме растений оказалось значительно меньше сайтов эдитинга, чем в митохондриальном. Подавляющее большинство замен в хлоропластных транскриптах затрагивают вторые нуклеотиды кодонов: 87% всех сайтов редактирования хлоропластных геномов кукурузы, табака, черной сосны.
В 12% случаев эдитинг происходит в первом и в 1% - в третьем нуклеотидах кодонов. Кроме того, чаще всего наблюдаются превращения UCA (серин) в UUA (лейцин) и ССА (пролин) в CUA (лейцин) [ Bock ea 1997 ] ( табл. 2 ).
Были проанализированы также некодирующие области хлоропластного генома - 3'- и 5'-фланкирующие участки генов и спейсерные участки полицистронных транскриптов. В результате обнаружен сайт эдитинга на расстоянии 10 нуклеотидов от инициирующего кодона ndhC-rQua у кукурузы и риса. C-U- замена в этом случае предположительно дестабилизирует вторичную структуру РНК-молекулы, что может облегчить связывание с рибосомой [ Bock ea 1997 ]. Сайт эдитинга в интерцистронном спейсере psbE-оперона найден также в пластидной мРНК примитивного семенного растения Ginkgo biloba [ Kudla ea 1999 ]. До сих пор ни одного сайта эдитинга не обнаружено ни в рРНК, ни в тРНК хлоропластов. Во всех случаях эдитинга хлоропластной мРНК высших растений выявлены только C-U-превращения, тогда как у низших растений обнаружены также U-C-замены [ Yoshinaga ea 1996 ].
Редактирование в хлоропластах не зависит от процессинга мРНК, но может зависеть от трансляции. Поскольку редактирование приводит к восстановлению функционально важных аминокислотных последовательностей, a priori оно должно предшествовать трансляции, так как в противном случае могут синтезироваться функционально неполноценные белки с нередактированных мРНК. Действительно, анализ кукурузных первичных полицистронных транскриптов молекул petB-petD и пре-мРНК ус/3, еще не подвергшихся сплайсингу, показал, что редактирование этих молекул уже полностью или частично состоялось [ Freyer ea 1993 , Ruf S., ea 1994 ].
