RNS termometer

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Jump to navigation Jump to search
Die FourU termometer RNS motief, met die Shine-Dalgarno volgorde uitgelig.

'n RNS termometer (of RNS termosensor) is 'n temperatuursensitiewe nie-koderende RNS molekuul wat die uitdrukking van gene reguleer. RNS termometers reguleer dikwels gene wat 'n rol speel by hitte- of koueskok reaksies, maar is ook by ander regulerende rolle soos patogenisiteit en verhongering betrokke.[1]

Oor die algemeen werk RNS termometers deur hulle sekondêre struktuur in reaksie op temperatuurskommelinge te verander. Hierdie strukturele oorgang kan dan belangrike gedeeltes van die RNS, byvoorbeeld 'n ribosoombindingsetel, blootstel of verberg, wat dan 'n invloed op die vertaling van 'n nabygeleë proteïen-koderende geen kan uitoefen.

RNS termometers, saam met riboskakelaars, is al gebruik as voorbeelde ter ondersteuning van die RNS wêreld hipotese. Hierdie teorie stel voor dat RNS eens die uitsluitlike nukleïensuur in selle was, en eers later vervang is deur die huidige DNS → RNS → proteïen stelsel.[2]

Voorbeelde van RNS termometers is FourU,[3] die Hsp90 gos-regulatoriese element,[4] die ROSE element[5] en die Hsp17 termometer.[6]

Ontdekking[wysig | wysig bron]

Die eerste temperatuur-sensitiewe RNS element is in 1989 gepubliseer.[7] Voor hierdie navorsing is reeds bevind dat mutasies stroomop van die transkripsie inisiasiesetel in 'n lambda (λ) bakteriofaag cIII mRNS 'n invloed het op die spoed van vertaling van die cIII proteïen.[8] Hierdie proteïen is betrokke by die keuse van 'n litiese of lisogeniese lewensiklus in λ bakteriofage: hoë konsentrasies van cIII bevorder lisogeniteit. Verdere studie van hierdie stroomop RNS streek het twee alternatiewe sekondêre strukture geïdentifiseer; eksperimentele studie het gevind dat die strukture wedersyds kan uitruil, en afhanklik is van beide kalsiumioon konsentrasie en temperatuur.[9] Hierdie RNS termometer kan dus onder hittestres 'n litiese siklus by voorkeur laat plaasvind sodat die bakteriofaag vinnig repliseer en uit die gasheer sel ontsnap.

Die term "RNS termometer" is eers in 1999 geskep,[10] toe dit gebruik is om die rpoH RNS element van Escherichia coli te beskryf.[11] Meer onlangse bioinformatikasoektogte het verskeie nuwe moontlike RNS termometers uitgewys.[12] Tradisionele volgorde-gebaseerde soektogte is egter ondoeltreffend, omdat die sekondêre struktuur van die element eerder as die nukleïensuurvolgorde gekonserveer word.

Verspreiding[wysig | wysig bron]

Die meeste bekende RNS termometers kom in die 5' onvertaalde streek voor van die boodskapper-RNS wat vir hitte skok proteïene kodeer, maar dit mag ook wees dat hierdie feit 'n artefak is van onewekansige monsterneming en die inherente probleme wat gepaard gaan met die opsporing van kort, ongekonserveerde RNS reekse in genomiese data.[13][14]

Alhoewel RNS termometers tot dusver hoofsaaklik in die prokariote gevind is, is 'n potensiële RNS termometer ook al in soogdiere gevind, insluitend die mens.[15] Die kandidaat thermosensor "hitteskok RNS-1 (HSR1)" aktiveer hitteskok transkripsie faktor 1 (HSF1) en induseer die uitdrukking van beskermende proteïene wanneer die seltemperatuur hoër as 37 °C (liggaamstemperatuur) word, om te voorkom dat die selle oorverhit.

Struktuur[wysig | wysig bron]

3D voorstelling van die struktuur van die ROSE RNS termometer.[16]

RNS termometers is struktureel eenvoudig en kan uit kort RNS reekse bestaan; die kleinste het net 44 nukleotiede, en kom voor in die mRNS van 'n hitte-skok proteïen, hsp17, in Synechocystis PCC 6803, 'n spesie van sianobakterië.[17][18] Oor die algemeen wissel die lengte van hierdie RNS elemente tussen 60-110 nukleotiede,[19] en hulle bevat tipies 'n haarnaaldstruktuur met 'n klein aantal onpaar basisse wat die stabiliteit van die struktuur verlaag, wat dit makliker maak vir die molekuul om oop te vou wanneer die temperatuur toeneem.[20]

Gedetailleerde strukturele analise van die ROSE RNS termometer het aan die lig gebring dat die onpaar basisse betrokke is by nie-standaard basisparing wat die heliese struktuur van die RNS bewaar (sien figuur). Die ongewone basispare bestaan uit G-G, U-U, en UC-U pare. Aangesien hierdie nonkanoniese basispare relatief onstabiel is, lei verhoogde temperatuur daartoe dat die RNS struktuur in hierdie streek plaaslik smelt (oopgaan), en die Shine-Dalgarno volgorde ontbloot.

Sommige RNS termometers is aansienlik meer kompleks as 'n enkele haarnaald, soos in die geval van 'n streek in die mRNS van die enterobakteriële CspA geen wat waarskynlik 'n pseudoknoop bevat, sowel as verskeie haarnaalde.[21][22]

Sintetiese RNS termometers is ontwerp wat net 'n eenvoudige enkel-haarnaald struktuur bevat.[23] Die sekondêre struktuur van so 'n kort RNS termometer kan egter sensitief wees vir mutasie, sodat 'n enkele basisverandering die haarnaald in vivo onaktief kan maak.[24]

Meganisme[wysig | wysig bron]

'n Stabiele haarnaald (links) gaan by 'n hoër temperatuur oop (regs). Die uitgeligte Shine-Dalgarno volgorde word blootgestel, wat binding aan die 30S ribosomale subeenheid moontlik maak.

RNS termometers kom in die 5' onvertaalde streek van boodskapper-RNS voor, stroomop van 'n proteïen-koderende geen. Hier is hulle in staat om die ribosoom bindende setel (RBS) te bedek, en te verhoed dat die mRNS in proteïen vertaal word. As die temperatuur verhoog, kan die haarnaaldstruktuur "smelt" en die RBS of Shine-Dalgarno volgorde blootstel, sodat die klein ribosomale subeenheid (30S) kan bind, wat daartoe aanleiding gee dat die ander molekules wat vir vertaling nodig is, bymekaar kom. Die begin kodon, tipies 8 nukleotiede stroomaf van die Shine-Dalgarno volgorde, teken die begin van 'n proteïen-koderende geen aan, wat deur die ribosoom in 'n peptiedproduk vertaal word. Bykomend tot hierdie cis-meganisme, is een enkele voorbeeld van 'n RNS termometer gevind wat met 'n trans-meganisme werk. Dit kom in die mRNS van die RpoS stres-reguleerder by E. Coli en verwante bakterië voor, waar dit waarskynlik 'n rol speel in die verhongeringsreaksie.

'n Spesifieke voorbeeld van 'n RNS termometer motief is die FourU termometer van Salmonella enterica. Wanneer die bakterium blootgestel word aan temperature bo 45 °C, gaan die stam-lus oop wat in die string oorkant die Shine-Dalgarno volgorde voorkom, en laat die mRNS toe om die ribosoom binne te gaan, sodat vertaling kan voorkom. Mg2+ ioonkonsentrasie beïnvloed ook die stabiliteit van FourU.[25] Die meeste goed bestudeer RNS termometer kom in die rpoH geen van Escherichia coli voor.[26] Hierdie termosensor is verantwoordelik vir die opregulering van hitteskokproteïene by hoë temperature, deur bemiddeling van σ32, 'n gespesialiseerde hitteskok sigmafaktor.

Alhoewel RNS termometers tipies verband hou met hitte-geïnduseerde proteïenuitdrukking, kan hulle ook koue-skok proteïene reguleer. Die uitdrukking van twee 7kDa proteïene word byvoorbeeld deur 'n RNS termometer in die termofiliese bakterium Thermus thermophilus,[27] en 'n soortgelyke meganisme is ook al geïdentifiseer by die Enterobacteriales.

RNS termometers wat sensitief is vir temperature naby 37 °C kan deur patogene gebruik word om gene te aktiveer wat by infeksie betrokke is, byvoorbeeld die opregulering van prfA, wat 'n sleutel transkripsionele reguleerder van virulensie gene in Listeria monocytogenes kodeer, is gedemonstreer deur die van die 5' DNS van prfA aan die groen fluoressente proteïengeen te koppel; die gekoppelde geen is toe vanaf die T7 promotor in E. coli getranskribeer, en fluoressensie is by 37 °C waargeneem, maar nie by 30 °C nie.[28]

Implikasies vir die RNS wêreld hipotese[wysig | wysig bron]

Die RNS wêreld hipotese beweer dat RNS oorspronklik beide die draer van erflike inligting was, en ook ensiemaktiewiteit gehad het, en dat verskillende reekse as biokataliste, reguleerders en sensors opgetree het.[29] Die hipotese beweer verder dat die moderne DNS, RNS en proteïene-gebaseerde lewe hieruit ontwikkel het, soos wat seleksie daartoe gelei het dat die meerderheid van RNS se rolle met ander biomolekules vervang is.

RNS termometers en riboskakelaars kom waarskynlik baie vroeg in evolusie voor, want hulle kom in baie verlangs-verwante organismes voor.[30] Dit word voorgestel dat, in die RNS wêreld, RNS termosensors verantwoordelik sou gewees het vir die temperatuur-afhanklike regulering van ander RNS-molekule.[31] RNS termometers in moderne organismes kan in hierdie sin as molekulêre fossiele gesien word, wat op 'n voorheen meer wydverspreide belang in 'n RNS-wêreld sou dui.

Ander voorbeelde[wysig | wysig bron]

  • Die Hsp90 cis-regulatoriese element reguleer hsp90 in Drosophila, wat die vertalingskoers van die hitteskokproteïen by hoër temperature verhoog.
  • Daar word voorspel dat die ibpAB operon van E. coli twee koöperatiewe RNS termometers bevat: 'n ROSE element en die IbpB termometer.[32]
  • ROSE1 en ROSEAT2 kom onderskeidelik in die rhizobiales Bradyrhizobium japonicum en Agrobacterium tumefaciens voor. Hulle kom in die 5' onvertaalde streek van HspA mRNS voor, en onderdruk die vertaling van die hitteskokproteïen by fisiologiese temperature.[33]
  • Cyanobakteriële RNS termometers
  • Intergeniese RNS termometer

Verwysings[wysig | wysig bron]

  1. Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S (January 2006). "RNA thermometers". FEMS Microbiol. Rev. 30 (1): 3–16. doi:10.1111/j.1574-6976.2005.004.x. PMID 16438677. Besoek op 2011-04-23.
  2. Atkins, John F.; Gesteland, Raymond F.; Cech, Thomas (2006). The RNA world: the nature of modern RNA suggests a prebiotic RNA world. Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-87969-739-3.
  3. Waldminghaus T, Heidrich N, Brantl S, Narberhaus F (July 2007). "FourU: a novel type of RNA thermometer in Salmonella". Mol. Microbiol. 65 (2): 413–24. doi:10.1111/j.1365-2958.2007.05794.x. PMID 17630972. Besoek op 2010-07-16.
  4. Ahmed, R; Duncan RF (2004). "Translational regulation of Hsp90 mRNA. AUG-proximal 5'-untranslated region elements essential for preferential heat shock translation". J Biol Chem. 279 (48): 49919–49930. doi:10.1074/jbc.M404681200. PMID 15347681.
  5. Nocker, A; Hausherr T; Balsiger S; Krstulovic NP; Hennecke H; Narberhaus F (2001). "A mRNA-based thermosensor controls expression of rhizobial heat shock genes". Nucleic Acids Res. 29 (23): 4800–4807. doi:10.1093/nar/29.23.4800. PMC 96696. PMID 11726689.
  6. Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F (2011). "Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor". Nucleic Acids Res. 39 (7): 2855–68. doi:10.1093/nar/gkq1252. PMC 3074152. PMID 21131278.
  7. Altuvia, S; Kornitzer, D; Teff, D; Oppenheim, AB (1989-11-20). "Alternative mRNA structures of the cIII gene of bacteriophage lambda determine the rate of its translation initiation". Journal of Molecular Biology. 210 (2): 265–80. doi:10.1016/0022-2836(89)90329-X. PMID 2532257.
  8. Altuvia, S; Oppenheim, AB (Jul 1986). "Translational regulatory signals within the coding region of the bacteriophage lambda cIII gene". Journal of Bacteriology. 167 (1): 415–9. PMC 212897. PMID 2941413.
  9. Altuvia, S; Kornitzer, D; Kobi, S; Oppenheim, AB (1991-04-20). "Functional and structural elements of the mRNA of the cIII gene of bacteriophage lambda". Journal of Molecular Biology. 218 (4): 723–33. doi:10.1016/0022-2836(91)90261-4. PMID 1827163.
  10. Storz, G (1999-03-15). "An RNA thermometer". Genes & Development. 13 (6): 633–6. doi:10.1101/gad.13.6.633. PMID 10090718.
  11. Morita, MT; Tanaka, Y; Kodama, TS; Kyogoku, Y; Yanagi, H; Yura, T (1999-03-15). "Translational induction of heat shock transcription factor sigma32: evidence for a built-in RNA thermosensor". Genes & Development. 13 (6): 655–65. doi:10.1101/gad.13.6.655. PMC 316556. PMID 10090722.
  12. Waldminghaus, T; Gaubig, LC; Narberhaus, F (Nov 2007). "Genome-wide bioinformatic prediction and experimental evaluation of potential RNA thermometers". Molecular genetics and genomics : MGG. 278 (5): 555–64. doi:10.1007/s00438-007-0272-7. PMID 17647020.
  13. Narberhaus F (2010). "Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs". RNA Biol. 7 (1): 84–9. doi:10.4161/rna.7.1.10501. PMID 20009504. Besoek op 2011-04-23.
  14. Johansson J (2009). "RNA thermosensors in bacterial pathogens". Contrib Microbiol. Contributions to Microbiology. 16: 150–60. doi:10.1159/000219378. ISBN 978-3-8055-9132-4. PMID 19494584.
  15. Shamovsky I, Ivannikov M, Kandel ES, Gershon D, Nudler E (March 2006). "RNA-mediated response to heat shock in mammalian cells". Nature. 440 (7083): 556–60. Bibcode:2006Natur.440..556S. doi:10.1038/nature04518. PMID 16554823.
  16. Chowdhury, S; Maris, C; Allain, FH; Narberhaus, F (2006-06-07). "Molecular basis for temperature sensing by an RNA thermometer". The EMBO Journal. 25 (11): 2487–97. doi:10.1038/sj.emboj.7601128. PMC 1478195. PMID 16710302.
  17. Kortmann, J; Sczodrok, S; Rinnenthal, J; Schwalbe, H; Narberhaus, F (Apr 2011). "Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor". Nucleic Acids Research. 39 (7): 2855–68. doi:10.1093/nar/gkq1252. PMC 3074152. PMID 21131278.
  18. Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F (April 2011). "Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor". Nucleic Acids Res. 39 (7): 2855–68. doi:10.1093/nar/gkq1252. PMC 3074152. PMID 21131278. Besoek op 2011-04-23.
  19. Waldminghaus T, Fippinger A, Alfsmann J, Narberhaus F (December 2005). "RNA thermometers are common in alpha- and gamma-proteobacteria". Biol. Chem. 386 (12): 1279–86. doi:10.1515/BC.2005.145. PMID 16336122.
  20. Narberhaus, F (Jan–Feb 2010). "Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs". RNA biology. 7 (1): 84–9. doi:10.4161/rna.7.1.10501. PMID 20009504.
  21. Breaker RR (January 2010). "RNA switches out in the cold". Mol. Cell. 37 (1): 1–2. doi:10.1016/j.molcel.2009.12.032. PMID 20129048. Besoek op 2010-07-23.
  22. Giuliodori AM, Di Pietro F, Marzi S, et al. (January 2010). "The cspA mRNA is a thermosensor that modulates translation of the cold-shock protein CspA". Mol. Cell. 37 (1): 21–33. doi:10.1016/j.molcel.2009.11.033. PMID 20129052.
  23. Neupert, J (Nov 2008). "Design of simple synthetic RNA thermometers for temperature-controlled gene expression in Escherichia coli". Nucleic Acids Research. 36 (19): e124. doi:10.1093/nar/gkn545.
  24. "Thermodynamics of RNA melting, one base pair at a time". RNA. 16 (9): 1687–91. September 2010. doi:10.1261/rna.2235010.
  25. Rinnenthal, J (2011-07-04). "Modulation of the stability of the Salmonella fourU-type RNA thermometer". Nucleic Acids Research. 39 (18): 8258–70. doi:10.1093/nar/gkr314.
  26. Shah P, Gilchrist MA (2010). "Is thermosensing property of RNA thermometers unique?". PLoS ONE. 5 (7): e11308. doi:10.1371/journal.pone.0011308. More than one of |author= en |last= specified (help)
  27. "Very rapid induction of a cold shock protein by temperature downshift in Thermus thermophilus". Biochem. Biophys. Res. Commun. 399 (3): 336–40. August 2010. doi:10.1016/j.bbrc.2010.07.065.
  28. "An RNA thermosensor controls expression of virulence genes in Listeria monocytogenes". Cell. 110 (5): 551–61. September 2002. doi:10.1016/S0092-8674(02)00905-4. Besoek op 2011-04-23.
  29. Gilbert, Walter (February 1986). "The RNA World". Nature. 319 (6055): 618–618. doi:10.1038/319618a0.
  30. Serganov, A (Oct 2007). "Ribozymes, riboswitches and beyond: regulation of gene expression without proteins". Nature Reviews Genetics. 8 (10): 776–90. doi:10.1038/nrg2172.
  31. Bocobza, SE (Oct 2008). "Switching the light on plant riboswitches". Trends in Plant Science. 13 (10): 526–33. doi:10.1016/j.tplants.2008.07.004.
  32. Gaubig, LC (Jan 2011). "Multiple layers of control govern expression of the Escherichia coli ibpAB heat-shock operon". Microbiology. 157 (Pt 1): 66–76. doi:10.1099/mic.0.043802-0.
  33. Balsiger, S (2004). "Replicon-specific regulation of small heat shock genes in Agrobacterium tumefaciens". J Bacteriol. 186 (20): 6824–6829. doi:10.1128/JB.186.20.6824-6829.2004.