A piRNS ( piwi -interacting RNA, piRNA, piwiRNA , egyes forrásokban piRNS -ként is megtalálható [1] ) az állati sejtekben expresszálódó kisméretű, nem kódoló RNS legnagyobb osztálya [2] ; a Piwi család fehérjéivel alkotott komplexekben találhatók meg , amelyekről a nevüket kapták. A piRNS-ek általában hosszabbak, mint a miRNS -ek és a kis interferáló RNS -ek , és 26-32 nukleotid hosszúak [3] , ráadásul a miRNS-ekkel ellentétben nem annyira konzervatívak [2] . A Piwi fehérjék az Argonaute fehérjék nagy csoportjába tartoznak, és szinte kizárólag csíravonal sejtekben expresszálódnak ; szükségesek a csíravonal őssejtek fenntartásához, a spermatogenezishez és a transzponálható elemek elnyomásához . A piRNS-ekkel alkotott Piwi-komplexek nemcsak a retrotranszpozonok és más genetikai elemek elnémításában vesznek részt a poszttranszlációs szinten, hanem más, jórészt leíratlan hatásokkal is bírnak, például epigenetikai [4] .
Továbbra sem világos, hogyan keletkeznek a piRNS-ek, de lehetséges kutatási módszereket javasoltak erre a kérdésre, és azt találták, hogy a képződésük bizonyos módjai eltérnek a miRNS-ek és a kis interferáló RNS-ekétől. Ugyanakkor egy másik csoport, a rasiRNA néhány kis nem kódoló RNS-ét a piRNS-ekhez tartozónak tekintik [3] [5] .
A kimutatott piRNS-ek száma emlősökben mintegy 50 ezer, a Drosophila melanogasterben pedig 13 ezer [ 6] , ami lényegesen több, mint a többi osztályba tartozó ismert kis RNS-ek száma. Mivel a piRNS jelentős része, különösen emlősökben, nem kapcsolódik transzponálható elemekhez, feltételezhető, hogy más, még nem leírt funkciókat is ellátnak [3] .
A piRNS-eket 2006-ban fedezték fel [3] .
A piRNS-eket gerincesekben és gerinctelenekben is találták , és bár a biogenezis mintázata és a célpontokkal való kölcsönhatás típusai fajonként eltérőek lehetnek, számos, az összes piRNS-re jellemző konzervált tulajdonság létezik. A másodlagos szerkezet [7] markáns motívumait nem találtuk a piRNS-ekben , hosszuk 26-32 nt, és az esetek 80-90%-ában gerinceseknél és gerincteleneknél is az 5'-végen lévő első nukleotid uridin (U ). A Caenorhabditis elegans fonálféreg 5' -végén foszfátcsoport , 3'-végén 2'-O- metiláció található [8] . Ezt a módosulást Drosophila [9] , zebrahal [10] , egerek [11] és patkányok [10] esetében is azonosították . Az 5' végén lévő foszfátcsoport az emlős piRNS-ekben is megtalálható [3] . Ennek a módosításnak a jelentősége még nem tisztázott egyértelműen, de feltételezik, hogy növeli a piRNS stabilitását [3] [10] .
Egerekben a Piwi család három fehérjét foglal magában: Mili, Miwi és Miwi2 [3] ; emberben HIWI (vagy PIWIL1), HILI (vagy PIWIL2), HIWI2 (vagy PIWIL4) és HIWI3 (vagy PIWIL3) [12] .
Emlősökben a piRNS gének körülbelül 17%-a felel meg ismétlődő szekvenciáknak , beleértve a transzponálható elemeket is. Meg kell jegyezni, hogy az ismétlődéseknek megfelelő piRNS-ek száma kisebb, mint az ismétlődések aránya a genomban . Így a rágcsálókban ezek az arányok 17, illetve ~42%. Más piRNS-eket egyedi gének kódolnak, a piRNS-t kódoló gének klaszterekben helyezkednek el a genomban. Az ilyen klaszterek 90%-a olyan területeken található, amelyek nem tartalmaznak annotált géneket vagy ismétlődéseket, de néha előfordulhatnak intronokban és exonokban [3] . Így míg a D. melanogasterben és a gerincesekben ezek a klaszterek olyan területeken helyezkednek el, ahol hiányoznak a fehérjét kódoló gének, addig a C. elegansban a piRNS gének a fehérjét kódoló gének között helyezkednek el [5] [8] [13] . Mindegyik ilyen klaszter 10-től sok ezerig terjedő piRNS-t kódolhat, mérete pedig 1-100 kilobázis között változhat [14] . Néha a piRNS-klaszterek egymás mellett helyezkednek el, de különböző szálak kódolják őket; ez kétirányú transzkripcióra utalhat egy közös promoterről . A genomokban a piRNS klaszterek kimutatása és rövid annotációja bioinformatikai módszerekkel történik , amelyek egyre bonyolultabbak [15] . Bár a piRNS génklaszterek jelenléte erősen konzervált fajok között, ugyanez nem mondható el e gének szekvenciáiról [16] . Például, bár a legnagyobb rágcsáló piRNS klaszterek humán ortológokkal rendelkeznek , a szekvencia hasonlóság ebben az esetben nem figyelhető meg [3] .
Korábban azt hitték, hogy emlősökben a piRNS és a Piwi fehérjék csak a herékben találhatók [3] . Mára azonban megállapították, hogy az emlős oocitákban is jelen van egy specifikus piRNS rendszer [17] . Ezenkívül kimutatták, hogy egy további Piwi fehérjegén, a PIWI-LIKE 3 (PIWIL3) expresszálódik a szarvasmarha petesejtekben a meiózis során . Ennek ellenére úgy tűnik, hogy az emlős piRNS-ek csak férfiakban működnek [18] . Gerincteleneknél a piRNS-eket mind a hím, mind a női csíravonal sejtekben azonosították [10] .
Sejtszinten a piRNS-eket mind a sejtmagban , mind a citoplazmában találták , ami arra utal, hogy a piRNS-ek mindkettőben működhetnek [5] , és így többféle hatásuk is van [19] .
A piRNS expressziós szintje a spermatogenezis során változik. A pachyténben ( a meiotikus osztódás I. profázisában ) a diploid spermatociták meiózisos osztódása során kezdik kimutatni őket (bár a piRNS képződése már a prepachitizált sejtekben is megindul [20] ), azonban a haploid spermatidák képződése során a A piRNS bennük élesen lecsökken, az érett spermiumokban pedig – a környékről ítélve – hiányoznak [3] .
A piRNS képződésének mechanizmusai még nem teljesen ismertek, bár számos lehetséges mechanizmust javasoltak. Azokban az esetekben, amikor a piRNS gének exonokba esnek, a piRNS-ek csak a szensz (sens-) mRNS -szálnak felelnek meg , tehát csak egy DNS-szálból képződnek, és valószínűleg hosszú primer prekurzor transzkriptumok származékai. Ez a feltevés összhangban van a here-specifikus EST -ek és a piRNS- lókuszoknak megfelelő mRNS-ek jelenlétére vonatkozó adatokkal. Ezenkívül a piRNS-klaszterekben nem találtunk pri-miRNS-ekre jellemző fejlett másodlagos struktúrákat. Ezért úgy tűnik, hogy a piRNS - feldolgozás különbözik a mikroRNS-től és a kis interferáló RNS-feldolgozástól. A kettős szálú prekurzorok hiányát, amelyek különösen a miRNS-ekre jellemzőek, bizonyítja, hogy néhány egyedi piRNS-ben csak szensz szekvenciák vannak jelen [3] .
Drosophilában és egerekben a piRNS feldolgozásában két szakasz különböztethető meg: az elsődleges feldolgozás és a „ping-pong” ciklus (amplifikációs hurok) [20] .
Mint fentebb említettük, a piRNS-ek hosszú prekurzor transzkriptumokból jönnek létre. A Drosophilában az elsődleges transzkriptumok piRNS-szerű kis RNS-ekké rövidülnek. A folyamatban szerepet játszó tényezőket még mindig rosszul ismerik, de a legújabb vizsgálatok kimutatták, hogy lehetséges, hogy az ilyen piRNS-szerű RNS-ek 5'-végét a Cukkini endonukleáz alkotja. Egerekben a cukkini homológja a MitoPLD fehérje, amely endonukleáz tulajdonságokkal is rendelkezik. Ezt követően a piRNS-szerű RNS-eket a Piwi fehérjék kötik meg, majd a 3'-végüket lerövidíti egy még le nem írt endonukleáz, és a piRNS-szerű RNS-ek a primer piRNS-eknek megfelelő méreteket kapnak. Lehetséges, hogy a Hsp83/Shu fehérje komplex fontos szerepet játszik a piRNS-nek a Piwi fehérjékre való betöltésében. Ezenkívül a piRNS-eket 2'-O-metilezi a HEN1/Pimet komplex [20] .
Az elsődleges feldolgozáson átesett PiRNS olyan állapotban van, amely a Piwi fehérjékhez kapcsolódik. Az ilyen primer piRNS-ek antiszensz piRNS-ek, amelyek komplementerek a transzponálható elemek átirataival. A Drosophilában a Piwi fehérjecsaládot három fehérje képviseli: Piwi, Padlizsán (Aub) és Ago3, de csak a Piwi és Aub fehérjék kötik meg az elsődleges piRNS-eket. A piRNS-sel alkotott Piwi komplexek átkerülnek a sejtmagba , és nem vesznek részt a citoplazmában végbemenő „ping-pong” ciklusban , de részt vesznek a nukleáris elnémításban. Az Aub-asszociált piRNS-ek komplementer módon kötik meg a mobil genetikai elemek átiratait. Az Aub az Argonaute csoport többi fehérjéhez hasonlóan képes elvágni a foszfodiészter kötést a cél RNS-ben, amely a vezető RNS 10. és 11. nukleotidjával szemben helyezkedik el (jelen esetben primer piRNS-ek). A törés eredményeként a mobil elem transzkriptumának két fragmentuma képződik, amelyek közül az egyikben az 5'-vég 10 nukleotid távolságra van az elsődleges piRNS 5'-végétől. Ez a fragmentum, egy másodlagos piRNS, ellentétben az elsődleges piRNS-sel, nem komplementer a mobil elem transzkriptumával, és egy szensz piRNS. Mivel a primer piRNS-ekben leggyakrabban az első nukleotid az uridin, az adenin nukleotid leggyakrabban a 10. pozícióban található az 5'-végtől a szekunder piRNS-ekben . A másodlagos piRNS-ek 3'-végének feldolgozásának mechanizmusa még mindig nem tisztázott. A másodlagos piRNS megköti az Ago3 fehérjét, és az elsődleges piRNS prekurzor transzkriptum levágására irányul, amelyből az antiszensz piRNS-t kivágják. Az ilyen antiszensz piRNS-ek vagy elnémíthatják a transzponálható elemeket, vagy irányíthatják az új szensz piRNS-ek képződését. Így a ping-pong ciklus egyesíti a piRNS-feldolgozást és a mobil elemek citoplazmatikus elnémítását a transzkriptum szintjén. Lehetővé teszi továbbá a csendesítés fokozását az új antiszensz piRNS-ek képződése miatt, válaszul a transzponálható elemek fokozott expressziójára [3] . A Drosophilában a „ping-pong” ciklus nemcsak az elsődleges piRNS-eket, hanem az anyától örökölt piRNS-eket is magában foglalhatja. A Drosophila ping-pong ciklusát heterotípusosnak nevezik , mert két különböző Piwi fehérjét, az Aub-t és az Ago3-at foglal magában [20] .
Egerekben az elsődleges piRNS-ek a Mili és Miwi fehérjékhez kötődnek, míg a másodlagos piRNS-ek a Miwi2 fehérjéhez. A Miwi-hez kapcsolódó piRNS-ek részt vesznek a citoplazmatikus elnémításban, de célpontjaik nagyrészt ismeretlenek. Mili-asszociált primer piRNS-ek részt vesznek a ping-pong ciklusban. Az ebben a ciklusban képződő másodlagos piRNS-ek a Miwi2-hez kötődnek, a Miwi2-vel alkotott piRNS komplex pedig a sejtmagba kerül, ahol részt vesz a nukleáris elnémításban. Az egér ping-pong ciklusát homotipikusnak nevezik , mert egy Piwi fehérjét, a Milit tartalmaz. A HSP90/FKBP6 fehérjekomplex bizonyos szerepet játszik a Miwi2-hez kötődő másodlagos piRNS-ek képződésében. A másodlagos piRNS-ek 2'-O-metilációját a HEN1/Pimet komplex biztosítja [20] .
Drosophilában az ivarmirigyek szomatikus sejtjeiben (például tüszősejtekben) a Piwi fehérjék is expresszálódnak és kötődnek a primer piRNS-ekhez, azonban az Aub és Ago3 fehérjék itt alacsony szinten expresszálódnak, és nem elegendőek a hordozáshoz. ki a „ping-pong” ciklusból [20] .
Úgy tűnik, a mozgékony elemek elnyomásának hasonló mechanizmusa létezik a zebrahalban [3] . A "ping-pong" mechanizmus jelenlétére utaló jeleket találtak a legprimitívebb állatoknál - szivacsoknál és cnidarianoknál , ami azt jelzi, hogy a "ping-pong" mechanizmus a Metazoa legkorábbi ágaiban jelent meg, és az elnyomás konzervatív mechanizmusa. mobil elemek [3] [21] .
Más fehérjék, amelyek nem tartoznak a Piwi csoportba, szintén részt vesznek a piRNS biogenezisében. Ezek különösen a Tudor szupercsaládhoz (TDRD) tartozó fehérjék. Tartalmazzák a Tudor domént , amely biztosítja a TDRD fehérje kötődését egy másik fehérje szubsztráthoz a szubsztrátban lévő szimmetrikus vagy aszimmetrikus dimetil-arginin-maradékok miatt. A Piwi fehérjék szimmetrikus dimetilarginin- maradékai vannak az N-terminális közelében, így a TDRD fehérjék képesek kötődni hozzájuk és részt venni az RNS elnémításában . 2011-ig 11, a piRNS biogenezisében részt vevő TDRD fehérjét azonosítottak Drosophilában, és 7 ilyen TDRD fehérjét azonosítottak egerekben [20] .
Például a TDRD Tud fehérjében mutáns legyekről azt találták, hogy fenotípusosan konzisztensek az Aub fehérje mutánsaival. A Tud fehérje 11 Tudor-domént tartalmaz, és szimmetrikus dimetilarginin-oldalláncokon keresztül képes kötődni az Aub-hoz és az Ago3-hoz is, így a "ping-pong" ciklus "platformjaként" szolgál. Tud mutánsokban az Aub és Ago3 fehérjék aktívabban kötődnek a piRNS-hez, mint a vad típusú legyekben , ami eltéréseket okozott a normál fenotípustól [20] .
Számos olyan fehérje is ismert, amelyek részt vesznek a piRNS biogenezisében, és nem kapcsolódnak sem Piwi, sem TDRD fehérjékhez. Így Drosophilában a következő fehérjéknél mutattak ki ilyen hatást: Vasa (Vas), Maelstrom (Mael), Armi, Zuc, Squash (Squ) és Shu, amelyek mindegyike – a Squ kivételével – homológokkal rendelkezik egerek. E tényezők többsége a „ping-pong” mechanizmusban vesz részt [20] .
Megállapítást nyert , hogy a C. elegans rendelkezik piRNS-sel, de hiányzik belőle a „ping-pong” mechanizmus [22] . A C. elegansban a piRNS biogenezisével kapcsolatos legújabb tanulmányok azonban részben rávilágítottak arra a kérdésre, hogy a piRNS által közvetített védekezési rendszer a parazita mobil elemekkel szemben hogyan ismeri fel az „önmagát” és az „idegen”, például az immunrendszert [20] .
A C. elegans piRNS-ei 21 nukleotid hosszúak, és a IV. kromoszómán található két klaszter kódolja őket , amelyek elkülönülten helyezkednek el a fehérjét kódoló génektől. Az egyes klaszterek előtt ~42 nukleotid távolságra található a CTGTTTCA szekvencia, amely nyilvánvalóan szükséges a klaszter RNS-polimeráz II általi transzkripciójához. A szintetizált piRNS-ek a Piwi PRG-1 fehérjéhez kötődnek. Az így létrejövő piRNS komplexek PRG-1-gyel idegen transzkriptumokat keresnek, és a komplementaritás hiánya (legfeljebb 4 eltérés) elegendő a transzkriptumhoz való kötődéshez. és kiváltják az RNS-függő RNS-polimerázok képződését, amelyek biztosítják a specifikus kis interferáló RNS-ek (22G-RNS-ek) képződését és amplifikációját. Ez utóbbiak a WAGO fehérjéhez, az Argonaute csoport C. elegans - specifikus fehérjéhez kötődnek . A citoplazmában ezek a komplexek biztosítják a géncsendesítést mRNS szinten, elpusztítva az idegen transzkriptumot, míg a sejtmagban transzkripciós szinten blokkolják a transzponálható elemeket [20] .
A "saját" és "idegen" felismerése és a saját átiratok megsemmisüléstől való védelme nyilvánvalóan több szinten történik:
A piRNS-eket „a genom őrzőinek” nevezték el a mobil elemek elhallgattatására és a genom védelmére való képességük miatt [20] . Úgy tűnik, emlősökben a piRNS transzpozoncsendesítő aktivitása különösen fontos az embrió fejlődése során , emellett mind az emberben, mind a C. elegans szükséges a spermatogenezishez [23] [24] . A hím egerekben a transzponálható elemek piRNS által közvetített csendesítő rendszerét megzavaró mutációk csökkentik a termékenységet , vagy akár sterilitáshoz vezetnek [3] [25] . Az is lehetséges, hogy az emberi reproduktív rendszer egyes betegségeit, például az azoospermiát a piRNS-rendszer hibái okozzák [20] .
Megfigyelték a piRNS-ek bizonyos hatását egyes metiltranszferázokra , amelyek a transzpozonok felismeréséhez és elnémításához szükséges metilációt hajtanak végre, de ez a kapcsolat még mindig kevéssé ismert [23] .
A piRNS-ek anyai úton terjedhetnek, és az ilyen anyai öröklődés epigenetikai hatásait kimutatták Drosophilában [13] . A specifikus piRNS-ek aktivitása az epigenetikai folyamatokban megköveteli a piRNS-ek kölcsönhatását Piwi fehérjékkel, HP1a-val és más tényezőkkel [6] . Lehetséges, hogy a piRNS-ek részt vesznek a karcinogenezis epigenetikai szabályozásában [20] .
A haslábú Aplysia ( tengeri nyúl ) esetében kimutatták, hogy a központi idegrendszer neuronjaiban található piRNS -ek elnyomják a CREB2 gén, egy memóriarepresszor expresszióját azáltal, hogy DNS-metilációt indukálnak régiójában, és ezáltal biztosítják a memória működését. Ezenkívül a közelmúltban piRNS-eket találtak egér hippokampusz neuronjaiban. Valószínűleg ezek a piRNS-ek részt vesznek a dendrit tüskék kialakulásában [20] .
A piRNS-ek tanulmányozásában a legnagyobb előrelépést olyan specifikus szekvenálási technikák alkalmazásával érték el , mint a Solexa és a 454. Ezekkel heterogén és összetett RNS-populációk, például piRNS-ek elemezhetők. Ezen RNS-ek kis mérete bizonyos nehézségeket okoz mesterséges expressziójukban és amplifikációjukban , azonban ezek leküzdésére a polimeráz láncreakción alapuló speciális technikákat fejlesztettek ki [26] [27] .
Az RNS típusai | |
---|---|
Fehérje bioszintézis | |
RNS feldolgozás |
|
A génexpresszió szabályozása |
|
cisz-szabályozó elemek | |
Parazita elemek | |
Egyéb |
|
Nukleinsav típusok | ||||
---|---|---|---|---|
Nitrogéntartalmú bázisok | ||||
Nukleozidok | ||||
Nukleotidok | ||||
RNS | ||||
DNS | ||||
Analógok | ||||
Vektor típusok |
| |||
|