5S рРНК

Вторинна структура та варіабельність послідовності 5S рРНК

5S рибосомна РНК (5S рРНК) — молекула рибосомної РНК що має довжину 120 нт і молекулярну масу близько 40000 Da. Вона є структурним і функціональним компонентом великих рибосомних субодиниць в основних доменах живого (бактерії, археї, еукаріоти), за виключенням мітохондріальних рибосом у грибів і тварин. Позначення 5S походить від швидкості седиментації цієї молекули під час ультрацентригування у одиницях Сведберга (S).[1]

Тривимірна структура молекули 5S рРНК з 50S рибосомної субодиниці бактерії Escherichia coli; дані кріо-електронної мікроскопії.[2]

Біосинтез

[ред. | ред. код]

У прокаріотів, ген 5S рРНК розташований в опероні рРНК після генів що кодують малу і велику субодиницю рРНК. Ці гени ко-транскрибуються в один поліцистронний прекурсор.[3] Особливістю еукаріотичних ядерних геномів є наявність багатьох копій гену 5S рРНК (5S рДНК), які згруповані у тандемні повтори. Кількість копій варіюється у різних видів.[4][5] Еукаріотична 5S рРНК синтезується РНК-полімеразою III, тоді як інші еукаріотичні рРНК утворюється в процесі розрізання 45S прекурсору, який був транскрибований РНК-полімеразою I. В ооцитах Xenopus було показано, що домени типу «цинковий палець» 4-7 фактора транскрипції TFIIIA можуть зв'язуватися з центральною ділянкою 5S рРНК.[6][7] Взаємодія між 5S рРНК і TFIIIA одночасто зменшує транскрипцію генів 5S рРНК, а також стабілізує вже синтезовані транскрипти 5S рРНК до того моменту коли вони будуть використані для збірки рибосом.[8]

Структура

[ред. | ред. код]

Вторинна структура 5S рРНК представлена п'ятьма спіральними ділянками (позначаються римськими цифрами I—V), чотирма петлями (B-E), та однією рухомою петлею (A), які всі разом утворюють Y-подібну тривимірну структуру. Петлі C і D розташовані на периферії, тоді як петлі B і E є внутрішніми.[4] Філогенетичні дослідження вказують на те що спіралі I та III є спорідненими.[9] Спіраль III містить два висококонсервативних аденозини.[10] Спіраль V, що містить шпилькоподібну структуру, бере участь у взаємодії з TFIIIA.[4]

Розташування в контексті рибосоми

[ред. | ред. код]
Тривимірна структура 50S рибосомної субодиниці з Haloarcula marismortui, PDB 1FFK. Рибосомні білки показані бузковим кольором, 23S рРНК — помаранчевим, 5S рРНК — жовтим.[11] 5S рРНК разом з рибосомними білками L5 та L18 та доменом V субодиниці 23S утворюють центральний протруберанець (англ. central protuberance, CP).

За допомогою різноманітний методів, таких як кріо-електронна мікроскопія, хімічний кросс-лінкінг, а також рентгеноструктурний аналіз, фізичне розташування 5S рРНК в структурному контексті рибосоми було визначене з великою точністю. У бактерій та архей, велика рибосомна субодиниця складається з двох молекул РНК, 5S рРНК, а також іншої, більшої молекули РНК, відомої як 23S рРНК, які асоційовані з численними рибосомними білками.[3] У еукаріотів, велика рибосомна субодиниця містить 5S, 5.8S та 28S рРНК, а також велику кількість молекул білків.[12][13] Тривимірна будова великої субодиниці утворює відносно однорідну молекулярну поверхню, на якій виділяють три помітні топологічні елементи: протруберанець L1, центральний протруберанець, а також стебло L7/L12. Протруберанець L1 та стебло L7/L12 розташовані по боках центрального протруберанцю. 5S рРНК розташована в центральному протруберанці. Іншими складовими центрального протруберанцю є 23S рРНК (28S рРНК в еукаріотів) а також рибосомні білки L5, L18, L25, L27.[14]

Функціональна роль в рибосомі

[ред. | ред. код]

Функції 5S рРНК вивчені ще не повнівстю. В Escherichia coli, делеція генів 5S рРНК знижує швидкість біосинтезу білків а також має більш виражений загальний негативний вплив на функціонування бактеріальної клітини ніж аналогічні делеції ідентичної кількості генів 16S і 23S  рРНК.[15] Кристалографічні дослідження вказують на те що 5S-рРНК-зв'язуючі білки а також інші білки у складі великого протруберанцю великої рибосомної субодиниці грають роль у взаємодії рибосоми з тРНК.[14] Окрім цього, переплетення 5S рРНК і 23S рРНК, завдяки яким утворюються пептидилтрансферазний і ГТФазний сайти, свідчать про те що 5S рРНК діє як медіатор між двома функціональними сайтами рибосоми, приймаючи роль у взаємодії між двома рибосомними субодиницями і взаємодіях рибосоми з тРНК.[14]

Роль в біогенезі рибосоми

[ред. | ред. код]

У еукаріотів, цитоплазматичні рибосоми формуються з чотирьох рибосомних РНК та більш ніж 80 рибосомних білків.[13][16] Після транскрипції, 3’ кінці 5S рРНК обробляються екзонуклеазами Rex1p, Rex2p, і Rex3p.[4] Субодиниці 60S та 40S експортуються з ядра в цитоплазму, де процес формування трансляційно-компетентної 80S рибосоми завершується. Точний етап біогенезу рибосоми під час якого відбувається вбудовування 5S рРНК залишається невизначеними,[4] але консесусною є точка зору, що 5S рРНК входить до складу 90S-частинки, яка є прекурсором 60S субодиниці; при цьому 5S рРНК існує у вигляді малого рибонуклеопротеїнового комплексу з рибосомним білком L5.[16]

Взаємодія з білками

[ред. | ред. код]

Білок La

[ред. | ред. код]

Взаємодія між 5S рРНК і білком La захищає РНК від екзонуклеазної деградації в клітині.[17] Білок La знайдений в ядрах всіх еукаріотичних організмів і асоціюється з декількома типами РНК які транскрибуються РНК-полімеразою III. Білок La взаємодіє з РНК (включаючи 5S рРНК) через 3’ олігоурідиновий фрагмент, сприяючи стабілізації РНК.[4][18]

Рибосомний білок L5

[ред. | ред. код]

В еукаріотичних клітинах, рибосомний білок L5 асоціюється з 5S рРНК, утворюючи стабільну прерибосомну рибонуклеопротеїнову частинку, яка детектується і в цитозолі, і в ядрі. Дефіцит L5 зашкоджає транспорту 5S рРНК в ядро і негативно впливає на процес збірки рибосом.[4]

Інші рибосомні білки

[ред. | ред. код]

У прокаріотів 5S рРНК взаємодіє з рибосомними білками L5, L18 і L25. В еукаріотів єдиним відомим партнером 5S рРНК є рибосомний білок L5.[19] У T. brucei, що викликає сонну хворобу, 5S рРНК взаємодіє з двома спорідненими білками P34 та P37; втрата цих білків призводить до зменшення рівня 5S рРНК в клітині.[4]

Альтернативні 5S рРНК в рибосомах органел

[ред. | ред. код]
Консенсусні вторинні структурні моделі 5S рРНК. Показані структури РНК з бактерій, архей, та ядер еукаріотів (A); з пластид (B); з мітохондрій (C). Літери та кола позначають консервативні та варіабельні нуклеотидні позиції, відповідно.

Трансляційний апарат мітохондрій і пластид (органели ендосимбіотичного бактеріального походження), порівняно з трансляційним апаратом бактерій, має багато спільних рис, але одночасно з цим має і суттєві відмінності. Геноми всіх органел без виключень кодують велику і малу субодиниці рибосоми, в той же час розповсюдження гену 5S рРНК (rrn5) є менш універсальним у різних організмів. Rrn5 присутній у геномах всіх пластид. Мітохондріальний rrn5 є тільки у рослин і малої кількості протистів.[20][21]

Порівняння класичної і альтернативної (бурі водорості) вторинних структур 5S рРНК.

Мітохондіральна 5S рРНК більшості гетероконтів демонструє широке розмаїття вторинних структур.[22] Найбільш незвичною є мітохондріальна 5S рРНК з бурих водоростей, в якої закриваюча спіраль I, яка мала б поєднувати 5′ і 3′ кінці молекули, замінена на шпильку (малюнок).

Мітохондріальні геноми тварин, грибів, авльвеолобіонтів і евгленових не мають гену 5S рРНК.[22] Центральний протруберанець в рибосомах цих організмів перебудований декількома способами. В грибних рибосомах, 5S рРНК замінена подовженою рРНК великої рибосомної субодиниці.[23] В кінетопластидах, центральний протруберанець мітохондріальних рибосом сформований еволюційно новими рибосомними білками.[24] Нарешті, мітохондріальні рибосоми тварин прилаштували спеціальну рибосомну тРНК на місце відсутньої 5S рРНК.[25][26]

Див. також

[ред. | ред. код]

Посилання

[ред. | ред. код]
  1. ↑ 5S Ribosomal RNA Database. Nucleic Acids Res. Т. 30, № 1. January 2002. с. 176—8. doi:10.1093/nar/30.1.176. PMC 99124. PMID 11752286.
  2. ↑ The 3D arrangement of the 23 S and 5 S rRNA in the Escherichia coli 50 S ribosomal subunit based on a cryo-electron microscopic reconstruction at 7.5 A resolution. J Mol Biol. Т. 298, № 1. 2000. с. 35—59. doi:10.1006/jmbi.2000.3635. PMID 10756104.
  3. ↑ а б Kaczanowska, M; Rydén-Aulin, M (September 2007). Ribosome biogenesis and the translation process in Escherichia coli. Microbiology and molecular biology reviews. Т. 71, № 3. с. 477—494. doi:10.1128/MMBR.00013-07. PMID 17804668.
  4. ↑ а б в г д е ж и Ciganda, Martin; Williams, Noreen (July 2011). Eukaryotic 5S rRNA biogenesis. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA. Т. 2, № 4. с. 526. doi:10.1002/wrna.74.
  5. ↑ Douet, J; Tourmente, S (Jul 2007). Transcription of the 5S rRNA heterochromatic genes is epigenetically controlled in Arabidopsis thaliana and Xenopus laevis. Heredity. Т. 99, № 1. с. 5—13. doi:10.1038/sj.hdy.6800964. PMID 17487217.
  6. ↑ McBryant, SJ; Veldhoen, N; Gedulin, B; Leresche, A; Foster, MP; Wright, PE; Romaniuk, PJ; Gottesfeld, JM (1995). Interaction of the RNA binding fingers of Xenopus transcription factor IIIA with specific regions of 5 S ribosomal RNA. Journal of Molecular Biology. Т. 248, № 1. с. 44—57. doi:10.1006/jmbi.1995.0201. PMID 7731045.
  7. ↑ Searles, MA; Lu D; Klug A (2000). The role of the central zinc fingers of transcription factor IIIA in binding to 5 S RNA. J Mol Biol. Т. 301, № 1. с. 47—60. doi:10.1006/jmbi.2000.3946. PMID 10926492.
  8. ↑ Pelham, HRB; Brown DD (1980). A specific transcription factor that can bind either the 5S RNA gene or 5S RNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Т. 77, № 7. с. 4170—4174. doi:10.1073/pnas.77.7.4170. PMC 349792. PMID 7001457.
  9. ↑ Sun, FJ; Caetano-Anollés, G (Nov 2009). The evolutionary history of the structure of 5S ribosomal RNA. Journal of Molecular Evolution. Т. 69, № 5. с. 430—43. doi:10.1007/s00239-009-9264-z. PMID 19639237.
  10. ↑ DiNitto, JP; Huber, PW (23 жовтня 2001). A role for aromatic amino acids in the binding of Xenopus ribosomal protein L5 to 5S rRNA. Biochemistry. Т. 40, № 42. с. 12645—53. doi:10.1021/bi011439m. PMID 11601989.
  11. ↑ The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution. Science. Т. 289, № 5481. 2000. с. 905—20. doi:10.1126/science.289.5481.905. PMID 10937989.
  12. ↑ Turowski, TW; Tollervey, D (2015). Cotranscriptional events in eukaryotic ribosome synthesis. Wiley interdisciplinary reviews. RNA. Т. 6, № 1. с. 129—139. doi:10.1002/wrna.1263. PMID 25176256.
  13. ↑ а б Yusupova, G; Yusupov, M (February 2014). High-resolution structure of the eukaryotic 80S ribosome. Annual Review of Biochemistry. Т. 83. с. 467—486. doi:10.1146/annurev-biochem-060713-035445. PMID 24580643.
  14. ↑ а б в Gongadze, G. M. (7 січня 2012). 5S rRNA and ribosome. Biochemistry (Moscow). Т. 76, № 13. с. 1450—1464. doi:10.1134/S0006297911130062.
  15. ↑ Ammons, D; Rampersad, J; Fox, GE (15 січня 1999). 5S rRNA gene deletions cause an unexpectedly high fitness loss in Escherichia coli. Nucleic Acids Research. Т. 27, № 2. с. 637—42. doi:10.1093/nar/27.2.637. PMC 148226. PMID 9862991.
  16. ↑ а б Henras, AK; Soudet, J; Gérus, M; Lebaron, S; Caizergues-Ferrer, M; Mougin, A; Henry, Y (Aug 2008). The post-transcriptional steps of eukaryotic ribosome biogenesis. Cellular and molecular life sciences : CMLS. Т. 65, № 15. с. 2334—59. doi:10.1007/s00018-008-8027-0. PMID 18408888.
  17. ↑ Wolin, SL; Cedervall, T (2002). The La protein. Annual Review of Biochemistry. Т. 71. с. 375—403. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150003. PMID 12045101.
  18. ↑ Maraia, RJ; Intine, RV (2002). La protein and its associated small nuclear and nucleolar precursor RNAs. Gene expression. Т. 10, № 1-2. с. 41—57. PMID 11868987.
  19. ↑ Moore PB (March 2001). The ribosome at atomic resolution. Biochemistry. Т. 40, № 11. с. 3243—50. doi:10.1021/bi0029402. PMID 11258942.
  20. ↑ Bullerwell, CE; Schnare, MN; Gray, MW (March 2003). Discovery and characterization of Acanthamoeba castellanii mitochondrial 5S rRNA. RNA. Т. 9, № 3. с. 287—292. doi:10.1261/rna.2170803. PMID 12592002.
  21. ↑ Bullerwell, CE; Burger, G; Gott, JM; Kourennaia, O; Schnare, MN; Gray, MW (May 2010). Abundant 5S rRNA-like transcripts encoded by the mitochondrial genome in Amoebozoa. Eukaryot Cell. Т. 9, № 5. с. 762—773. doi:10.1128/EC.00013-10. PMID 20304999.
  22. ↑ а б Valach, M; Burger, G; Gray, MW; Lang, BF (Dec 2014). Widespread occurrence of organelle genome-encoded 5S rRNAs including permuted molecules. Nucleic Acids Res. Т. 42, № 22. с. 13764—13777. doi:10.1093/nar/gku1266. PMID 25429974.
  23. ↑ Amunts, A; Brown, A; Bai, XC; Llácer, JL; Hussain, T; Emsley, P; Long, F; Murshudov, G; Scheres, SH (March 2014). Structure of the yeast mitochondrial large ribosomal subunit. Science. Т. 343, № 6178. с. 1485—1489. doi:10.1126/science.1249410. PMID 24675956.
  24. ↑ Sharma, MR; Booth, TM; Simpson, L; Maslov, DA; Agrawal, RK (Jun 2009). Structure of a mitochondrial ribosome with minimal RNA. Proc Natl Acad Sci U S A. Т. 106, № 24. с. 9637—9642. doi:10.1073/pnas.0901631106. PMID 19497863.
  25. ↑ Brown, A; Amunts, A; Bai, XC; Sugimoto, Y; Edwards, PC; Murshudov, G; Scheres, SH; Ramakrishnan, V (Nov 2014). Structure of the large ribosomal subunit from human mitochondria. Science. Т. 346, № 6210. с. 718—722. doi:10.1126/science.1258026. PMID 25278503.
  26. ↑ Greber, BJ; Boehringer, D; Leibundgut, M; Bieri, P; Leitner, A; Schmitz, N; Aebersold, R; Ban, N (Nov 2014). The complete structure of the large subunit of the mammalian mitochondrial ribosome. Nature. Т. 515, № 7526. с. 283—286. doi:10.1038/nature13895. PMID 25271403.