Рибопереключатели: история открытия
В 1990 году появилась серия работ, описывающих методы поиска аптамеров - РНКовых молекул, способных связывать определенные лиганды с высокой специфичностью и аффинностью ( Ellington and Szostak, 1990 ; Tuerk and Gold, 1990 ), и рибозимов - РНКовых молекул, обладающих определенной ферментативной активностью [ Robertson, 1990 ]. Эти работы показали огромный потенциал молекул РНК - они оказались способны выполнять функции, ранее считавшиеся уникальными для белков, такие как специфическое узнавание определенных молекул и катализ - однако оставалось неизвестным, используется ли этот потенциал в живых системах. Описание первых рибопереключателей в 2002 году в регуляторных участках оперонов биосинтеза витаминов показало, что построенные исключительно из РНК регуляторные системы и в самом деле весьма активно используются в живых системах. Более того, как и в случае с T-бокс системами прокариот или РНК-интерференцией эукариот, когда стало понятно устройство подобных регуляторов и алгоритм их поиска, оказалось, что такие системы используются повсеместно [ Serganov, 2013 ].
Рибопереключатель в общем случае представляет собой участок мРНК, содержащий два функциональных домена: лиганд-связывающий аптамер и экспрессионную платформу [ Serganov, 2013 ]. Аптамер связывает лиганд, меняя конформацию экспрессионной платформы, которая в свою очередь запускает регуляторный ответ. Лиганд-связывающий домен обычно эволюционно-консервативен, тогда как экспрессионные платформы могут довольно сильно различаться. Принципиальное отличие от описанных выше "классических" систем аттенюации транскрипции состоит в том, что в регуляции участвует исключительно лидерная РНК и низкомолекулярный лиганд, и не требуется никаких дополнительных белковых факторов для осуществления регуляторного эффекта. В качестве лигандов к настоящему моменту известны: аминокислоты, пурины и их производные, катионы металлов, различные анионы, молекулы витаминов ( тиамин , рибофлавин , тиаминпирофосфат ), различные сахарофосфаты. Как показано на Рис. 8 , рибопереключатели обычно действуют по механизму аттенюации транскрипции или трансляции, блокируя экспрессию соответствующего гена при связывании лиганда. Часто лиганд является конечным продуктом оперона , экспрессию которого он блокирует.
T-бокс систему иногда относят к рибопереключателям [ Henkin, 2008 ], а иногда рассматривают вместе с другими классическими аттенюаторными системами [ Serganov, 2013 ]. В отличие от "обыкновенных" рибопереключателей T-бокс сочетает два функциональных домена в одном, лиганд-связывающий и экспрессионный участки слиты в одну структуру; кроме того, происходит связывание не самого низкомолекулярного лиганда (аминокислоты), а незаряженной тРНК , высокая концентрация которой сигнализирует о недостатке аминокислоты. Впрочем, слияние двух функциональных доменов в один также встречается в S-боксе рибопереключателях, связывающих S-аденозилметионин (SAM) [ Lu, 2010 ]. В целом же по механизму действия T-бокс регуляция отвечает широкому определению рибопереключателя, т.к. не требует дополнительных белковых факторов и основана на изменении конформации РНК.
Выше мы описывали, как различные биосинтетические опероны могут активироваться и подавляться при избытке или недостатке тех или иных веществ, например, аминокислот, за счет контроля их концентрации специальными белками, регулирующими экспрессию соответствующих генов. Точно так же для оперонов, отвечающих за синтез витамина B1 (тиамина) , витамина B2 (рибофлавина) и витамина B12 (кобаламина) , и было показано подавление экспрессии при добавлении соответствующего метаболита в среду роста. Долгое время исследователи безуспешно пытались найти белковые репрессоры, отвечающие за этот эффект, но их поиски не увенчались успехом. В то же время, в регуляторных областях этих оперонов у многих организмов были найдены консервативные последовательности мРНК, или боксы, потенциально обладающие сложной вторичной структурой, и было высказано предположение, что именно эти лидерные последовательности могут иметь регуляторную функцию. Такие гипотезы высказывались относительно RFN (riboflavin) элемента из пяти шпилек перед генами биосинтеза рибофлавина [ Gelfand, 1999 ; Vitreschak, 2002 ], а также thi бокса , состоящего из двух шпилек и двух петель перед генами биосинтеза тиамина [ Miranda-Rнos, 2001 ]. Вслед за этим несколько групп почти одновременно показали прямое взаимодействие флавинмононуклеотида (FMN) с RFN элементом и тиамина с thi боксом [ Mironov, 2002 ; Winkler, 2002 ], а также аденозилкобаламина с лидерной последовательностью гена btuB , кодирующего транспортер витамина B12 [ Nahvi, 2002 ].
