Некодирующие РНК чайных растений. Краткий обзор

У эукариот – например, у чайных растений и у нас с вами – генетический материал представлен огромными двухцепочечными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в последовательности нуклеотидов которых закодирована первичная структура белков. Хранятся они в ядрах клеток.

А синтез белков происходит в цитоплазме. И для того, чтобы передать информацию из ядра и воплотить её в ферменты, рецепторы, структурные и прочие белки, нужна другая нуклеиновая кислота – рибонуклеиновая (РНК). Молекулы РНК более компактны, более гидрофильны, но менее стабильны.

Информационные, или матричные РНК (мРНК) представляют собой «отпечатки» генов – участков ДНК, кодирующих какой-либо белок. Их синтез в ядре, то есть перенос информации о структуре белка с ДНК на РНК, называется транскрипцией. Однако после транскрипции получается не готовая к использованию мРНК, а только черновик: в гене есть информативные части – экзоны и промежутки – интроны, которые нужно вырезать (это называется сплайсингом); на один конец нужно нацепить шапку-кэп – 7-метилгуанозин, а на другой – хвост из одной-двух сотен остатков адениловой кислоты… Но эти подробности сейчас можно опустить.

Рибосомные РНК (рРНК) являются основой рибосом – крошечных заводиков по производству белка. На матричную РНК, вышедшую в цитоплазму, садятся две субъединицы рибосомы, а маленькие транспортные РНК (тРНК), похожие на схемах на листочки клевера, подносят им одну за другой аминокислоты в соответствии с «чертежом» мРНК. Это называется трансляцией.

Не знаю, как сейчас, а в моё время в школьной программе было плюс-минус вот это.

***

Но за тридцать с лишним лет наука шагнула далеко вперёд, и теперь мы знаем, что к трём «главным» видам из школьного учебника – мРНК, рРНК и тРНК – разнообразие РНК не сводится. В клетках живёт и трудится целая куча разного рибонуклеинового народа – около десятка разновидностей, а то и больше, смотря как считать. В синтезе белков эти РНК не участвуют – но могут его регулировать.

Хотя учёные полагают, что самые первые из малых некодирующих РНК – короткие интерферирующие РНК (киРНК, siRNA) занимались совсем другим делом – защитой от вирусов. Точнее, они сами и есть части вирусов – это небольшие, по 20-25 пар нуклеотидных остатков, фрагменты двухцепочечной вирусной РНК, которую внутри клетки обнаружила и разломала на кусочки эндонуклеаза Dicer (это такой фермент, который, в отличие от экзонуклеаз, не отщипывает от нуклеиновых кислот по одному нуклеотиду, а расщепляет их где-то посередине цепи). И разделив на одинарные цепи, их можно использовать для поиска и уничтожения других копий чужеродной РНК. Это делает другая эндонуклеаза, которую зовут Argonaute. Вместе с киРНК они образуют РНК-индуцируемый комплекс выключения гена (RNA-induced silencing complex, RISC), в котором Argonaute – киллер, а киРНК – наводчик: как только попадается цепь РНК, комплементарная киРНК, та в неё вцепляется, а «аргонавт» рубит её надвое (см. рис. 1). Это называется РНК-интерференцией – когда одна РНК нейтрализует другую. То есть изначально это был примитивный, но эффективный механизм внутриклеточного иммунитета, в котором РНК играли примерно ту же роль, которую потом возьмут на себя белковые антитела. Найдены киРНК у растений, одноклеточных и беспозвоночных животных.

***

У высших животных киРНК не обнаруживаются, хотя Dicer и RISC у них есть. Но работают они с другими, эволюционно более молодыми РНК – микроРНК (miRNA) и регулируют экспрессию генов, то есть, грубо говоря, реализацию заложенной в генах информации. И в отличие от чужеродных киРНК, микроРНК закодированы в геноме самого организма, у них есть собственные гены, маленькие, как и они сами – микроРНК состоят из 18-25 нуклеотидных остатков. Предшественники микроРНК образуются в ядре и имеют вид шпильки, очень похожей на один из «листочков» трилистника тРНК. В цитоплазме «дайсер» отрезает «петельку», оставляя «стебелёк» из двух комплементарных друг другу коротеньких цепей, а затем одна из них соединяется с «аргонавтами» (см. рис. 2). А мишень для образовавшегося RISC – не вирусная РНК, а собственная мРНК, трансляцию которой нужно ограничить.

МикроРНК у растений и у животных возникли и развивались независимо и действуют немного по-разному. У растений микроРНК полностью комплементарны тем мРНК, на которые нацелены, что приводит к их разрушению (см. рис. 3, слева внизу). А у животных – не полностью, и когда RISC связывается с мРНК, он не уничтожает её, а только блокирует сборку белка на ней (см. рис. 3, справа внизу).

Но это не всё. У микроРНК в репертуаре есть ещё несколько способов помешать трансляции. Они умеют мешать субъединицам рибосом соединиться, могут их разъединять, могут портить вспомогательные белки и т.д. Мало того, они могут подавлять не только трансляцию, но и транскрипцию гена-мишени. Но в отличие от РКН, который только блокирует, замедляет и пакостит, микроРНК способны и к положительной регуляции: в зависимости от условий, они могут не снижать, а наоборот, усиливать синтез целевого белка. И они не творят, что вздумается, а находятся под управлением других веществ – интерферонов, интерлейкинов и др.

К 2010 г. в человеческом организме было найдено около 700 микроРНК, регулирующих активность 30% всех генов, а сейчас – даже не знаю сколько. Они участвуют во множестве физиологических и патологических процессов.

А теперь перейдём, наконец, к чаю. В 2014-2019 гг. было проведено множество исследований, посвящённых роли микроРНК в развитии чайных растений, регуляции их метаболизма, реакции на биотический и абиотический стресс. Часто мишенями микроРНК оказывались гены не белков-эффекторов, а транскрипционных факторов, которые в свою очередь регулируют транскрипцию других генов. Так формируется многоуровневая система управления биохимическими процессами.

Установлено, что микроРНК могут регулировать биосинтез катехинов и терпеноидов, подавляя соответствующие гены-мишени как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровне (см., напр., https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.8b05345 , https://sci-hub.ru/10.1021/acs.jafc.8b05345 ). МикроРНК cs-miR156 регулирует накопление катехинов в чайных растениях, подавляя экспрессию гена-мишени SPL (squamosa promoter binding protein-like) в зависимости от формы вносимого азота – под действием солей аммония эта её функция резко усиливалась (см. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0981942815301467 , https://sci-hub.ru/10.1016/j.plaphy.2015.10.026 ).

При сравнительном анализе пула микроРНК, выделенных из здоровых чайных листьев и из листьев, поражённых грибом Colletotrichum gloeosporioides, возбудителем антракноза, было выявлено более 600 дифференциальных микроРНК (см. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6751461/ ). Пять из них – PC-5p-80764_22, csn-miR160c, csn-miR828a, csn-miR164a и csn-miR169e – были особенно важны. Их мишенями были транскрипционные факторы WRKY, ARF, MYB75, NAC и NFY. Большинство генов-мишеней участвовали в регуляции ауксинового пути, пути нейтрализации активных форм кислорода, пути, опосредованного салициловой кислотой, рецепторных киназ и транскрипционных факторов, влияющих на рост и развитие растений.

Определение микроРНК чайных растений в условиях холода и засухи позволяет предположить, что и реакции на абиотический стресс, направленные на предотвращения повреждения побегов, опосредованы микроРНК (см. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4209041/ ; https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4406609/ ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ppl.12477 и https://sci-hub.ru/10.1111/ppl.12477 ; https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5696764/ . В каждом из этих исследований фигурируют как минимум десятки дифференциальных микроРНК, а число генов-мишеней доходит до нескольких сотен). Экспериментально подтверждена связь между микроРНК csn-miR398a-3p-1 и геном CsCSD4 – одной из супероксиддисмутаз камелии китайской, участвующей в нейтрализации активных форм кислорода при холодовом стрессе (см. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6786557/ ); предполагают, что это способствует повышению холодоустойчивости (но замечу, что из публикации совершенно неясно, каким именно образом).

МикроРНК csn-miR319c регулирует вегетацию чайных растений: её экспрессия снижается, а экспрессия её гена-мишени CsnTCP2 (CsnTCP2) повышается при распускании почек (см. https://link.springer.com/article/10.1007/s00425-019-03207-1 ).

***

Не все некодирующие РНК – маленькие, среди них есть и гиганты. Например, Xist-РНК, отвечающая за инактивацию Х-хромосомы в процессе эмбрионального развития плацентарных млекопитающих, насчитывает около 17 тысяч нуклеотидных остатков. Длинные (более 200 нуклеотидов) некодирующие РНК (lncRNA) очень разнообразны. К 2016 г. у человека было описано около 15 тысяч lncRNA, но лишь у нескольких сотен была установлена функция.

У чайных растений тоже есть длинные некодирующие РНК. В работе учёных индийского Национального исследовательского центра биотехнологии растений в Нью-Дели (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926669019301773 , https://sci-hub.ru/10.1016/j.indcrop.2019.03.020 ) было получено более 33 тысяч чайных lncRNA. 378 из них связаны с путями формирования аромата красного чая.

***

Шпильки с петлями, псевдоузлы и т.п. – элементы вторичной структуры РНК, образующиеся благодаря водородным связям, возникающим между остатками нуклеотидов, расположенных в разных частях нуклеиновой цепи. Но существуют и РНК, у которых сама первичная структура ковалентно замкнута в кольцо. Такие кольцевые РНК (circRNA) долгое время оставались в тени, но их участие в патогенезе онкологических, сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний привлекает к ним всё больше внимания – см. https://biomolecula.ru/articles/vlast-kolets-vsemogushchie-koltsevye-rnk .

Сотрудники Государственной ключевой лабораторит биологии и использования чайных растений Аньхойского сельскохозяйственного университета обнаружили в тканях чайных растений 3174 кольцевых РНК (https://link.springer.com/article/10.1007/s00425-018-2983-x , https://sci-hub.ru/10.1007/s00425-018-2983-x ). Их экспрессия зависела от степени развития побега, и статистический анализ показал, что дифференциально экспрессируемые circRNA связаны с фотосинтезом и с биосинтезом метаболитов во время развития листьев. 54 из них имели потенциальные сайты для связывания микроРНК (многие кольцевые РНК действуют как губки, впитывая до нескольких десятков микроРНК и снижая тем самым их активность).

***

Информация об исследованиях некодирующих РНК в чае взята из большого обзора «Геномика чайного растения: достижения, проблемы и перспективы», опубликованного в 2020 г. - https://www.nature.com/articles/s41438-019-0225-4 ; на всякий случай прикрепляю полный его текст к посту. Это лишь один его раздел, но ряд других тем – например, сплайсинг транскриптов гена терпенсинтазы (https://vk.com/wall-47905050_24718 ) и метилирование ДНК (https://vk.com/wall-47905050_10375 ) – я уже освещал. А вот некодирующих РНК я до сих пор не касался – потому и решил потратить почти целые сутки на подготовку и написание этого поста.

Узнать о некодирующих РНК побольше можно здесь – https://biomolecula.ru/articles/obo-vsekh-rnk-na-svete-bolshikh-i-malykh .

Источник: biomolecula.ru

Комментарии: