МикроРНК (miRNA): механизм действия и биологические функции
Поскольку микроРНК участвуют в различных экспрессионных механизмах, от однотипных до относительно стадий-специфичных и/или тканеспецифичных, то это предполагает разнообразие ролей их генов, в том числе и в синхронизации развития, пространственной детерминации клеток или физиологии клеток и организма в целом.
Точная картина функционирования микроРНК требует детальных сведений об их пространственных паттернах экспрессии и идентификации нарушающих их функцию мутаций.
РНК lin-4 и let-7 - это две микроРНК, которые генетически проанализированы и для которых определены механизмы и биологические функции.
Интересно, что другие гены микроРНК не были обнаружены в результате мутаций в процессе обычной процедуры клонирования генов. Возможно эти маленькие гены представляют собою слишком малую мишень для мутагенеза, к тому же некоторые из них, возможно, действуют в совокупности с другими микроРНК со сходными последовательностями, что могло бы стать причиной их недостаточной представленности среди генов, идентифицированных посредством скрининга для видимых фенотипов.
Тем не менее полагают, что по крайней мере некоторые из генов микроРНК находятся среди неклонированных генетических локусов, идентифицированных с помощью мутаций. Не подозревая об обилии микроРНК и клонируя гены по фенотипу, исследователи вполне могли проглядеть эти маленькие некодирующие последовательности. Новые сведения делают вполне обоснованными представления о потенциальных генах микроРНК.
В связи с этим возникают многие вопросы. Каков молекулярный механизм действия микроРНК? Все ли они регулируют экспрессию генов? Все ли они являются репрессорами трансляции, подобно РНК lin-4 и let-7? При этом необходимо предусмотрительно иметь в виду потенциальное разнообразие регуляторных функций микроРНК.
Основываясь на примере lin-4 и let-7, уместно ожидать, что и другие микроРНК также могут спариваться с комплементарными последовательностями 3'-UTR мРНК и репрессировать трансляцию.
В случае lin-4 трансляция с мРНК-мишеней ( генов lin-14 и lin-28 ) подавляется в состоянии ее ассоциации с полирибосомами ( Olsen и Ambros, 1999 ; Seggerson и др., 2002 ), что предполагает блокирование на стадии, следующей за инициацией трансляции. Однако, другие микроРНК могут и не действовать по такому же принципу, как lin-4; более того, некоторые из них могут регулировать скорее стабильность мРНК, нежели ее трансляцию.
В принципе, микроРНК могут оказывать как позитивное, так и негативное влияние на экспрессию генов в зависимости от того, каким образом спаривание с микроРНК влияет на структуру и состав рибонуклеопротеина мРНК (РНП). МикроРНК могут связываться с белковыми факторами и вследствие этого осуществлять их взаимодействие со специфическими мРНК, либо действовать в качестве "привратников", изменяющих вторичную структуру мРНК и таким образом опосредованно контролировать связывание других регуляторных факторов ( рис. 2 ).
Проведенные исследования позволяют предположить, что такова активность lin-4, который репрессирует lin-28 опосредованно, открывая 3'-UTR lin-28 для воздействия независимой репрессионной активности, молекулярный механизм которой еще предстоит выяснить ( Seggerson и др., 2002 ).
В более широком плане следует, вероятно, признать, что мишени микроРНК нельзя свести лишь к мессенджерным РНК. Некоторые микроРНК могут регулировать активность некодирующих РНК, возможно даже других микроРНК. МикроРНК могут, вероятно, функционировать и без спаривания с нуклеиновыми кислотами-мишенями, например, посредством конкуренции с другими РНК за связывание с белком. Вероятно, микроРНК представляют собою широкий набор структурных элементов РНП, и в этом смысле они могут являться потенциальными транс-регуляторами биологических процессов , включающих РНК-РНК или РНК-белковые взаимодействия ( рис. 2 ).
Идентификация регуляторных мишеней каждой микроРНК - сложная, но важная для понимания генетических механизмов и биологического контекста задача, требующая для своего решения, вероятно, сочетания компьютерного, биохимического и генетического подходов.
Одна из первых проблем заключается в том, что до сих пор неизвестны все параметры, определяющие функциональное взаимодействие микроРНК с мишенью, и таким образом за разработкой информационного подхода должны последовать биохимическое подтверждение о взаимодействиях in vivo и генетические иследования функциональных эпистатических взаимодействий.
Представления о взаимодействиях микроРНК с их мишенями сформированы на базе РНК lin-4 и let-7 . Как для lin-4, так и для let-7 спаривание оснований микроРНК и мишени прерывисто и состоит из двух коротких спиралей. Подобная топология является, вероятно, решающей для взаимодействия, приводящего в случае lin-4 и let-7 к репрессии трансляции без дестабилизации мРНК . Непрерывная спираль длиной в 22 нуклеотида является, по-видимому, ключом к запуску РНК-интерференции с последующей деградацией мишени ( Elbashir и др., 2001c ). Поэтому такие микроРНК как lin-4 и let-7 образуют со своими мишенями прерывистые спирали, чтобы избежать РНК-интерференции и осуществить другие режимы регуляции.
Остается неясным, действительно ли микроРНК способны действовать подобно siRNA , образуя непрерывный двухспиральный гибрид длиной в 22 нуклеотида с мишенью, и запускать таким образом ее деградацию. Почему микроРНК так малы, и какие предсказания относительно их биологии можно сделать, основываясь на их малом размере?
Длина (приблизительно 22 нуклеотида) обусловлена, вероятно, энзимологией белка Dicer ( Elbashir и др., 2001b ). Хотя непроцессированная (приблизительно 70 нуклеотидов) форма микроРНК и может в некоторых случаях обладать функциональной активностью, установлено, что большинство функционирующих микроРНК - это молекулы длиной в 21-22 нуклеотид. Теоретически существует более 10 в 13-й степени последовательностей длиной в 22 нуклеотид, и в рамках биологической специфичности согласно Уотсон-Криковскому взаимодействию каждая микроРНК обладает огромным потенциалом.
Сколько дополнительной биологической информации может содержаться в 22 нуклеотидах (помимо специфичности)? Такая относительно небольшая длина не позволяет, вероятно, включать в себя наряду с антисенс-элементами сложные структурные элементы, отвечающие за стабильность, внутриклеточный транспорт, т.д. Следовательно, не исключено, что различные микроРНК используют один и тот же белковый (или рибонуклеопротеиновый) комплекс для внутриклеточного транспорта и защиты от деградации.
