7.6: עיבוד RNA

מקור: BiochemFFA_7_5.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

עד כה בדקנו את המנגנון שבאמצעותו המידע בגנים (DNA) מועתק ל- RNA. ה- RNA החדש שנוצר, המכונה גם התמליל הראשי מעובד עוד לפני שהוא מתפקד. גם פרוקריוטים וגם אוקריוטים מעבדים את הריבוזומלי שלהם ומעבירים RNA. ההבדל העיקרי בעיבוד RNA, לעומת זאת, בין פרוקריוטים לאיקריוטים, הוא בעיבוד של RNA שליח. נתמקד בעיבוד של mRNA בסעיף זה. תזכרו שבתאים חיידקיים, ה-mRNA מתורגם ישירות כשהוא יורד מתבנית ה-DNA. בתאים אוקריוטיים, סינתזת RNA, המתרחשת בגרעין, מופרדת ממנגנון סינתזת החלבון שנמצא בציטופלזמה. התוצר הראשוני של שעתוק של mRNA מכונה לפעמים פרה-mRNA. לאחר עיבודו ומוכן לייצוא מהגרעין, הוא נקרא mRNA בוגר. שלושת שלבי העיבוד העיקריים עבור mRNA הם (איור 7.67):

• מכסה בקצה 5'
• שחבור להסרת אינטרונים
• הוספת זנב polyA בקצה 3'.

למרות שתיאור זה מצביע על כך ששלבי עיבוד אלה מתרחשים לאחר תעתיק, לאחר שהגן כולו תועתק, ישנן עדויות לכך שהעיבוד מתרחש בשיתוף תעתיק. כלומר, שלבי העיבוד מתרחשים תוך כדי ביצוע ה- mRNA. הוכח כי חלבונים המעורבים בעיבוד mRNA קשורים לתחום C-terminal הפוספוריל (CTD) של RNA פולימראז II.

מכסת

כפי שניתן לצפות, תוספת של מכסה mRNA בקצה 5 'היא השלב הראשון בעיבוד mRNA, מכיוון שקצה 5' של ה- RNA הוא הראשון שנעשה. מכסה מתרחשת לאחר שסונתזו 20-30 הנוקלאוטידים הראשונים של ה- RNA. תוספת הכובע כוללת הסרה של פוספט מהנוקלאוטיד הראשון ב-RNA ליצירת דיפוספט. לאחר מכן זה מחובר למונופוספט גואנוסין אשר לאחר מכן מתילציה ב- N7 של הגואנין ליצירת מבנה הכובע של 7mG (איור 7.68). מכסה זה מזוהה ונקשר על ידי קומפלקס של חלבונים שנשארים קשורים למכסה עד שה- mRNA הועבר לתוך הציטופלזמה. המכסה מגן על קצה 5' של ה-mRNA מפני פירוק על ידי נוקלאזות וגם עוזר למקם את ה-mRNA בצורה נכונה על הריבוזומים במהלך סינתזת החלבון.

שחבור

לגנים אוקריוטיים יש אינטרונים, אזורים לא מקודדים המפריעים לגן. ל-mRNA שהועתק מגנים המכילים אינטרונים יהיו אפוא גם אזורים לא מקודדים שמפריעים למידע בגן. יש להסיר אזורים לא מקודדים אלה (איור 7.69) לפני שליחת ה- mRNA מהגרעין כדי לשמש לכוון סינתזת חלבון.

הסרת אינטרון

אינטרונים מוסרים מהפרה-mRNA על ידי פעילות של קומפלקס הנקרא spliceosome. הספליזוזום מורכב מחלבונים ו-RNA קטנים הקשורים ליצירת אנזימי חלבון-RNA הנקראים ריבונוקלאופרוטאינים גרעיניים קטנים או snRNPs (snurps מבוטאים).

צומת אחוי

מכונות השחבור חייבות להיות מסוגלות לזהות צומת שחבור (כלומר, כאשר כל אקסון מסתיים והאינטרון הקשור אליו מתחיל) על מנת לחתוך נכון את האינטרונים ולהצטרף לאקסונים כדי ליצור את ה-mRNA הבוגר והחבור. אילו אותות מצביעים על גבולות אקסון-אינטרון? הצמתים בין אקסונים לאינטרונים מסומנים על ידי רצפי בסיס ספציפיים. רצף הקונצנזוס בצומת האקסון-אינטרון 5' (נקרא גם אתר שחבור 5') הוא AGGURAGU. ברצף זה, האינטרון מתחיל ב- G השני (R מייצג כל פורין). לצומת השחבור 3 'יש את רצף הקונצנזוס YAGRNNN, כאשר YAG נמצא בתוך האינטרון, ו- RNNN הוא חלק מהאקסון (Y מייצג כל פירמידין, ו- N לכל נוקלאוטיד).

יש גם רצף חשוב שלישי בתוך האינטרון, כמאה נוקלאוטידים מאתר השחבור 3', הנקרא נקודת הסתעפות או אתר ענף, שחשוב לשחבור. אתר זה מוגדר על ידי נוכחות של A ואחריו מחרוזת של פירמידינים. החשיבות של אתר זה תיראה כאשר נשקול את שלבי השחבור.

מנגנון שחבור

ישנם שני שלבים עיקריים בשחבור. השלב הראשון הוא ההתקפה הנוקלאופילית של 2'OH של נקודת הענף A באתר השחבור 5' (צומת האקסון 5' והאינטרון). כתוצאה מתגובת טרנס-אסטריפיקציה, האקסון 5' משתחרר, ונוצרת מולקולה בצורת לריאט המורכבת מהאקסון 3' ורצף האינטרון (איור 7.70). בשלב השני, ה-3' OH של האקסון 5' תוקף את אתר השחבור 3', ושני האקסונים מחוברים זה לזה, והאינטרון בצורת לריאט משתחרר.

ספליזוזום

כפי שהוזכר קודם לכן, שחבור מתבצע על ידי קומפלקס המורכב RNAs קטנים וחלבונים. חמשת ה-RNA הקטנים החיוניים לקומפלקס זה, U1, U2, U4, U5 ו-U6 נמצאים קשורים לחלבונים, כ-snRNPs. חלבונים אלה ורבים אחרים פועלים יחד כדי להקל על השחבור. למרות שנותר לעבד פרטים רבים, נראה כי רכיבים של מכונות השחבור קשורים ל- CTD של פולימראז ה- RNA וכי קשר זה חשוב לשחבור יעיל. ההרכבה של הספליזוזום דורשת אינטראקציה שלבית של ה-snRNPs השונים וגורמי שחבור אחרים (איור 7.71). השלב הראשוני בתהליך זה הוא האינטראקציה של U1 snRNP עם אתר השחבור 5'. חלבונים נוספים כגון U2AF (AF = גורם משויך) נטענים גם הם על הפרה-mRNA ליד אתר הענף. לאחר מכן הקישור של U2 snRNA לאתר הסניף.

לאחר מכן, קומפלקס של U4/U6 ו-U5 snRNPs מגויס לספליזוזום כדי ליצור קומפלקס פרה-קטליטי. קומפלקס זה עובר סידורים מחדש המשנים אינטראקציות RNA-RNA וחלבון-RNA, וכתוצאה מכך עקירה של U4 ו- U1 snRNPs ויצירת הספליזוזום הפעיל קטליטית. קומפלקס זה מבצע לאחר מכן את שני שלבי השחבור שתוארו קודם לכן.

שחבור אלטרנטיבי

בממוצע, לגנים אנושיים יש כ-9 אקסונים כל אחד. עם זאת, ייתכן שה-mRNA הבוגר מגן המכיל תשעה אקסונים לא יכלול את כולם. הסיבה לכך היא שניתן לחבר את האקסונים ב-pre-mRNA יחד בשילובים שונים כדי ליצור mRNA בוגרים שונים. זה נקרא שחבור חלופי, ומאפשר ייצור של חלבונים רבים ושונים באמצעות מעט גנים יחסית, שכן RNA בודד עם אקסונים רבים יכול, על ידי שילוב של אקסונים שונים במהלך השחבור, ליצור הודעות קידוד חלבון רבות ושונות. בגלל שחבור חלופי, כל גן ב-DNA שלנו מוליד, בממוצע, שלושה חלבונים שונים. שחבור חלופי מאפשר להשתמש במידע בגן בודד לציון חלבונים שונים בסוגי תאים שונים או בשלבי התפתחות שונים (איור 7.72).

פוליאדנילציה

לקצה 3 'של mRNA אוקריוטי מעובד יש בדרך כלל "זנב פולי (A)" המורכב מכ-200 נוקלאוטידים המכילים אדנין. שאריות אלו מתווספות על ידי אנזים שאינו תלוי בתבנית, פולי (A) פולימראז, לאחר ביקוע של ה-RNA באתר ליד קצה 3' של התמליל החדש. הוכח כי רכיבים של מכונות הפוליאדנילציה קשורים ל- CTD של פולימראז ה- RNA, מה שמראה שכל שלושת השלבים של עיבוד טרום mRNA קשורים קשר הדוק לשעתוק. ישנן עדויות לכך שזנב ה- polyA ממלא תפקיד בתרגום יעיל של ה- mRNA, כמו גם ביציבות ה- mRNA. בדומה לאתרי שחבור חלופיים, לגנים יכולים להיות גם אתרי polyA חלופיים (איור 7.73).

הכובע וזנב polyA על mRNA הם גם אינדיקציות לכך שה- mRNA שלם (כלומר, לא פגום). לאחר עיבוד הודעות מקודדות חלבון על ידי מכסה, שחבור והוספת זנב פולי A, הן מועברות אל מחוץ לגרעין לתרגום בציטופלזמה. mRNA בוגרים נשלחים לתוך הציטופלזמה הקשורה לייצוא חלבונים המקיימים אינטראקציה עם מתחמי הנקבוביות הגרעיניות במעטפת הגרעינית (איור 7.74). לאחר שה- mRNA הבוגר הועבר לציטופלזמה, הוא מוכן לתרגום.

עריכת RNA

בנוסף לעבור את שלושת שלבי העיבוד שתוארו לעיל, RNA רבים עוברים שינוי נוסף הנקרא עריכת RNA. עריכה נצפתה לא רק ב-mRNA אלא גם ב-RNA העברה ו-RNA ריבוזומלי. כפי שהשם מרמז, עריכת RNA היא תהליך שבמהלכו משתנה רצף התמליל לאחר תעתיק. דוגמה נחקרת היטב לעריכת RNA היא שינוי רצף ה- mRNA לאפוליפופרוטאין B (ראה גם כאן). העריכה מביאה לדימינציה של ציטוסין בתמליל ליצירת אורציל, במיקום ספציפי ב- mRNA. שינוי זה ממיר את הקודון במיקום זה, CAA, המקודד לגלוטמין, ל-UAA, קודון עצירה. התוצאה של זה היא שנוצרת גרסה קצרה יותר של החלבון, כאשר מתורגם התמליל הערוך. מעניין שעריכת תמליל זה מתרחשת בתאי מעיים אך לא בתאי כבד. לפיכך, תוצר החלבון של הגן אפוליפופרוטאין B ארוך יותר בכבד מאשר במעי.

הכנסה/מחיקה

סוג אחר של עריכת RNA כרוך בהכנסה או מחיקה של נוקלאוטידים אחד או יותר. דוגמה אחת לעריכה מסוג זה נראית ב- RNA המיטוכונדריאלי של טריפנוזומים. RNAs מדריכים קטנים מציינים את האתרים שבהם מוכנסים או נמחקים נוקלאוטידים כדי לייצר את ה-mRNA שמתורגם בסופו של דבר (איור 7.75).

ההשפעה של כל אחד מסוגי העריכה הללו על ה-mRNA היא שמוצר החלבון המקודד שונה, ומספק נקודה נוספת שבה ניתן לשלוט בתוצר הביטוי של גן.

סינתזה ועיבוד tRNA

tRNAs מסונתזים על ידי RNA פולימראז III, מה שהופך מולקולות מבשר הנקראות pre-tRNA שעוברות לאחר מכן עיבוד ליצירת tRNA בוגרים. התמלילים הראשוניים מכילים רצפי RNA נוספים הן בקצוות 5' והן בקצוות 3'. חלק מהפרה-tRNA מכילים גם אינטרונים. רצפים נוספים אלה מוסרים מהתמליל במהלך העיבוד.

רצף המנהיג 5' של ה-pre-tRNA (הנוקלאוטידים הנוספים בקצה 5') מוסר על ידי אנדונוקלאז יוצא דופן הנקרא ריבונוקלאז P (RNase P - איור 7.76). RNase הוא קומפלקס ריבונוקלאופרוטאין המורכב מ- RNA קטליטי וחלבונים רבים. רצף הטריילר 3' (נוקלאוטידים נוספים בקצה 3' של הטרום-tRNA) מוסר מאוחר יותר על ידי נוקלאזות שונות. כל tRNAs חייב להיות בעל רצף CCA 3 'הדרוש לטעינה של tRNAs עם חומצות אמינו. בחיידקים, רצף CCA זה מקודד בגן tRNA, אך באיקריוטים, רצף ה- CCA מתווסף לאחר שעתוק על ידי אנזים הנקרא tRNA נוקלאוטידיל טרנספראז (tRNT).

אינטרונים

כפי שהוזכר קודם לכן, כמה מבשרי tRNA מכילים אינטרון הממוקם בזרוע האנטיקודון. באיקריוטים, אינטרון זה נמצא בדרך כלל מיד 3 'לאנטיקודון. האינטרונים מחולקים החוצה בעזרת אנדונוקלאז שחבור tRNA וליגאז.

שינויים בבסיס

tRNAs בוגרים מכילים שיעור גבוה של בסיסים מלבד האדנין הרגיל (A), גואנין (G), ציטידין (C) ואורציל (U). בסיסים יוצאי דופן אלה מיוצרים על ידי שינוי הבסיסים ב-tRNA ליצירת גרסאות, כגון פסאודורידין (איור 7.77) או דיהירורידין. שינויים בבסיסים מוכנסים ל-tRNA בשלב העיבוד הסופי על ידי מגוון אנזימים מיוחדים. ל-tRNAs שונים יש תת-קבוצות שונות של שינויים במיקומים ספציפיים, לעתים קרובות הבסיס הראשון של האנטי-קודון (מיקום הנדנוד).

סינתזה ועיבוד rRNA

תאים מכילים עותקים רבים של גנים rRNA (בין 100 ל -2000 עותקים נראים בתאי יונקים). גנים אלה מאורגנים ביחידות שעתוק המופרדות על ידי מרווחים שאינם מתומללים. כל יחידת שעתוק מכילה רצפים המקודדים ל- 18S, 5.8S ו- 28S rRNA, והיא מתועתקת על ידי RNA פולימראז I לתמליל ארוך אחד (47S). ה- rRNA 5S מתועתק בנפרד. הגדלים של RNA ריבוזומלי מסומנים, על פי המוסכמה, על ידי מקדמי השקיעה שלהם, המהווים מדד לקצב השקיעה שלהם במהלך הצנטריפוגה. שקיעה מתבטאת ביחידות סוודברג (ומכאן ה- S בסוף המספר) עם מספרים גדולים יותר המצביעים על מסה גדולה יותר.

התמליל הראשוני מכיל מרווחים חיצוניים של 5' ו-3' (ETS) וכן רצפים פנימיים מתומללים (ITS). התמליל הראשי נחתך לראשונה בשני הקצוות על ידי נוקלאזות כדי לתת 45S pre-rRNA. עיבוד נוסף של ה- pre-rRNA באמצעות מחשופים המונחים על ידי מתחמי חלבון RNA המכילים snoRNAs (RNA גרעיני קטן), מוליד את ה- RRNAs 18S, 5.8S ו- 28S הבוגרים (איור 7.79). RNAs ריבוזומליים משתנים גם הן על סוכרי הריבוז והן על הבסיסים. מעניין שמתילציה של סוכרי ריבוז היא השינוי העיקרי ב- rRNA. פסאודורידין הבסיס שהשתנה נפוץ גם ב- rRNA. שינויים אחרים כוללים מתילציה בסיסית ואצטילציה. שינויים אלה נחשבים חשובים בוויסות תפקוד הריבוזום.

עיבוד מידע: עיבוד RNA

767

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

768

איור 7.68 - מכסה 5 'של mRNA אוקריוטיים

ויקיפדיה

איור 7.67 - שלבים בעיבוד של פרה-mRNA

769

איור 7.69 - הסרת אינטרונים מהתמליל הראשי

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

770

איור 7.70 - שחבור של אינטרונים

ויקיפדיה

771

איור 7.71 - הרכבה של קומפלקס הספליזוזום

ויקיפדיה

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

772

איור 7.72 - שחבור חלופי מוביל לצורות שונות של חלבון מאותו רצף גנים

איור 7.73 - אתרי פולי-אדנילציה חלופיים לגן

773

איור 7.74 - מבנה של mRNA אוקריוטי בוגר

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

774

איור 7.76 - מבנה רכיב ה- RNA של ריבונוקלאז P

איור 7.75 - תבנית מודרכת - מנגנון אחד של עריכת RNA

775

איור 7.78 - רצף של tRNA בוגר

ויקיפדיה

איור 7.77 - סינתזה של פסאודורידין מאורידין

ויקיפדיה

776

איור 7.79 - עיבוד RNA ריבוזומלי

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

תמונות גרפיות בספר זה היו תוצרים של עבודתם של כמה תלמידים מוכשרים. קישורים לדפי האינטרנט שלהם נמצאים למטה

לחץ כאן עבור

מרתה בייקר

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של פהר ג'ייקובסון

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של אליה קים

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של פנלופה אירווינג

דף אינטרנט

ערכת בעיות הקשורה לסעיף זה כאן

סיכום נקודה אחר נקודה של סעיף זה כאן

לקבלת תעודה לשליטה בחלק זה של הספר, לחץ כאן

קורסי iTunes U בחינם של קווין אהרן - בית ספר בסיסי/רפואה/מתקדם

ביוכימיה חינם וקל (הספר האחר שלנו) כאה/עמוד פייסבוק

המדריך של קווין ואינדירה לכניסה לבית הספר לרפואה - קורס U של iTunes /ספר

כדי לראות קורסים בקמפוס OSU של קווין אהרן - BB 350/BB 450/BB 451

להרשמה לקורסי קמפוס OSU של קווין אהרן - BB 350 /BB 450/BB 451

ביוכימיה חינם לכל עמוד הפייסבוק (אנא עשו לנו לייק)

דף האינטרנט של קווין אהרן/עמוד הפייסבוק/דף האינטרנט של טרלין טאן

ההורדות החינמיות של קווין אהרן כאן

התוכנית לביוכימיה/ביופיזיקה של OSU כאן

המכללה למדעים של OSU כאן

אוניברסיטת אורגון סטייט כאן

שלח דוא"ל לקווין אהרן/אינדירה רג'גופל/טרלין טאן

778

שיר הקודון

למנגינה של "כשאני בן שישים וארבע"

אתר מנגינות מטבוליות כאן

בניית חלבונים, אתה
צריך לדעת צריך קטליזה של קשר
פפטיד של אמינו A בריבוזומים בסיסי
שלישייה, קודי שלוש אותיות

ערבוב והתאמה של נוקלאוטידים
מי שומר על ציון?
הנה השפל למטה
אם תספור קודונים
תקבל שישים וארבעה

יש - אל - בשורה - למעלה - ימין
16-S R-N-A ו- Shine Dalgarno האתר

אתה יכול ליצור פפטידים, בכל גודל
עם הקוד המתאים
התחל קודונים ממוקמים
באתר P מקום
יוזם t-RNAs

UGA עוצר ו- AUGs הולכים
מי יכול לבקש עוד?
אתה יודע את השפל למטה
ספור את הקודונים
יש שישים וארבעה

הקלטה מאת טים קרפלוס

מילים על ידי קווין אהרן
הקלטה על ידי טים Karplus מילים על ידי קווין אהרן