Az RNS-hőmérő vagy RNS-hőérzékelő ( eng. RNA thermometer, RNA thermosensor, RNAT ) egy hőmérséklet -érzékeny, nem kódoló RNS , amely a génexpresszió szabályozásában vesz részt . Az RNS -hőmérők általában szabályozzák azokat a géneket , amelyek szükségesek a hőre vagy hidegsokkra ] való reagáláshoz , azonban kimutatták, hogy részt vesznek a hosszan tartó éhezés és a patogenitás szabályozásában [1] .
Az RNS hőmérő működési elve az, hogy a hőmérséklet változására reagálva megváltoztatja ennek a molekulának a másodlagos szerkezetét . Ezen szerkezeti változások során ennek az RNS-nek fontos szakaszai, például a riboszómakötő hely , szabaddá válnak, vagy éppen ellenkezőleg, mélyen behatolnak a molekulába, ezáltal befolyásolják a közeli fehérjét kódoló gén transzlációját .
Az RNS-hőmérők a ribokapcsolókkal együtt alátámasztják az RNS-világ hipotézisét . Ezen elmélet szerint a sejtekben eleinte az egyetlen nukleinsav az RNS volt, amelyet később a modern DNS → RNS → fehérjerendszer váltott fel [2] .
Az RNS -hőmérőkre példa a FourU [3] , a cisz - szabályozó elem Hsp90 [4] , a ROSE elem [5] , a Hsp17 hőmérő [6] .
Az első hőmérséklet-érzékeny RNS-elem felfedezéséről 1989-ben számoltak be [7] . Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a lambda fág (λ) mRNS cIII -ában a transzláció kezdőhelyétől feljebb lévő mutációk befolyásolják a cIII fehérje transzlációjának szintjét [8] . Ez a fehérje részt vesz a λ fág életciklusának programjának ( litikus vagy lizogén útvonal) megválasztásában, és a cIII fehérje magas koncentrációja megfelel a lizogén útvonalnak [8] . További vizsgálatok kimutatták, hogy ennek az upstream RNS-régiónak két alternatív másodlagos szerkezete van. Kiderült, hogy ezek a szerkezetek nem cserélhetők fel, és függenek a Mg 2+ -ionok koncentrációjától és a hőmérséklettől [7] [9] . Jelenleg úgy gondolják, hogy ezek az RNS-hőmérők hősokk-körülmények között beindítják a lítikus utat, így a bakteriofág gyorsan replikálódik és elhagyja a gazdasejtet [1] .
Az "RNS-hőmérő" kifejezést csak 1999-ben használták [10] , amikor az Escherichia coli baktérium RNS-elemét , az rpoH -t így nevezték el [11] . A közelmúltban számos új lehetséges RNS-hőmérőt azonosítottak bioinformatikai technikák segítségével [12] . Ebben az esetben a szokásos szekvenciakeresés nem hatékony, mivel az RNS-hőmérők másodlagos szerkezete sokkal konzervatívabb, mint a nukleotidszekvenciáik [ 12] .
Különféle megközelítéseket alkalmaznak az RNS-hőmérők működésének tanulmányozására. Az RNS-hőmérők dinamikájának tanulmányozásához bizonyos helyeken a közönséges nukleotidokat fluoreszcensekkel helyettesíthetjük , és így megfigyelhetjük azok változását [13] . Az RNS-hőmérő pozíciójának meghatározására a vizsgált szekvenciában bizonyos hőmérsékleteken egy speciális RNAthermsw webszervert fejlesztettek ki [14] . A bakteriális RNS hőmérők azonosítására genetikai módszereket is alkalmaznak, például a Tet-Trap [15] .
A jelenleg ismert RNS-hőmérők többsége a hősokk-fehérjéket kódoló prokarióta mRNS-ek 5'-nem transzlált régióiban (5'-UTR) található . Ezek az eredmények valószínűleg a szelekciós torzításnak és a genomiális adatokban a rövid, nem konzervatív szekvenciák megtalálásának leküzdhetetlen nehézségeinek tudhatók be [16] [17] .
Bár a legtöbb ismert RNS-hőmérőt prokariótákban (beleértve a cianobaktériumokat is [18] ) találták, lehetséges RNS-hőmérőket azonosítottak emlősökben , beleértve az embereket is [19] . Emberben a feltételezett hősokk RNS-1 (HSR1) hősokk-transzkripciós faktor-1 (HSF1) aktiválja, és 37 °C feletti hőmérsékleten ( normál testhőmérséklet ) beindítja a védőfehérjék szintézisét. , és ezáltal védi a sejteket a túlmelegedéstől [19] . A Hsp90 cisz -szabályozó elem szabályozza a hsp90 chaperon expresszióját Drosophilában , növelve annak transzlációját magas hőmérsékleten [4] .
Az RNS-hőmérők felépítése egyszerű, rövid RNS-szekvenciákból alakíthatók ki. A legkisebb ismert RNS-hőmérő 44 nukleotid hosszú. A Synechocystis sp. cianobaktérium hősokkfehérje (hsp17) mRNS-ében található . PCC 6803 [6] . Az RNS-hőmérők általában 60-110 nukleotid hosszúságúak [21] , és általában olyan hajtűt tartalmaznak , amelyben a bázisok kis része párosítatlan . Csökkentik a szerkezet stabilitását, ami miatt a hőmérséklet emelkedésekor könnyen megolvadhat [16] .
A ROSE RNS hőmérő részletes szerkezeti elemzése azt mutatta, hogy az össze nem illő bázisok valójában részt vesznek az RNS helikális szerkezetét fenntartó nem szabványos bázispárosításban. Ezeket a szokatlan párokat a G -G , U -U és U C -U párok képviselik . Mivel ezek a nem kanonikus párok viszonylag instabilak, a hőmérséklet emelkedése az RNS lokális fúzióját okozza ebben a régióban, ami feltárja a Shine-Dalgarno szekvenciát [20] .
Egyes RNS-hőmérők sokkal összetettebbek, mint egy hajtű, mint például a CspA mRNS 5'-UTR-je , ahol az RNS-hőmérő pszeudoknot és sok hajtűt tartalmaz [22] [23] .
Csak egy hajtűt tartalmazó mesterséges RNS hőmérőket fejlesztettek ki [24] . Az ilyen rövid RNS-hőmérők nukleotidszekvenciája azonban érzékeny lehet a mutációkra, és az egybázisú szubsztitúció ezt az RNS-hőmérőt in vivo inaktívvá teheti [25] .
Az RNS-hőmérők az mRNS 5'-UTR-jában, a kódolószekvenciától felfelé találhatók [1] . Ellentétben a riboswitchekkel, amelyek a transzkripció , a transzláció és az mRNS stabilitásának szabályozása szintjén működnek, az összes jelenleg ismert RNS-hőmérő a transzlációs iniciáció szintjén működik [26] . Az RNS-hőmérők szerkezeti változásai eltávolíthatják a riboszóma kötőhelyét a molekula mélyén, és így megakadályozhatják az mRNS fehérjévé való transzlációját [16] . A hőmérséklet emelkedésével az RNS-hőmérő hajtűszerkezete megolvadhat, szabaddá válik a riboszóma kötőhely vagy a Shine-Dalgarno szekvencia (és bizonyos esetekben az AUG startkodon [18] ), lehetővé téve a riboszóma kis alegységét ( 30S ) kötődni az mRNS-hez, követve azt, amire az egész broadcast apparátus megy [1] . A startkodon , amely általában 8 nukleotiddal lefelé található a Shine-Dalgarno szekvenciától [16] , jelzi a fehérjét kódoló régió kezdetét , amelyet a riboszóma peptiddé alakít át . Ezeken a cisz - hatású RNS-hőmérőkön kívül az egyetlen transz - ható RNS-hőmérő ismeretes, amely az RpoS mRNS-ben található , ahol feltételezhetően szabályozza a hosszan tartó éhezésre adott választ [1] .
Példaként vegyük a FourU Salmonella enterica RNS hőmérőt [3] . 45 °C feletti hőmérséklet hatására a Shine-Dalgarno szekvenciát tartalmazó hajtű megolvad, a Shine-Dalgarno szekvencia párosítatlanná válik, és lehetővé válik az mRNS transzlációja [25] . Kimutatták, hogy a FourU stabilitását befolyásolja a Mg 2+ koncentrációja [27] . A legtöbbet tanulmányozott RNS-hőmérő az E. coli rpoH génjének mRNS-ében található [28] . Ez a hőérzékelő pozitívan szabályozza a hősokk-fehérjék transzlációját magas hőmérsékleten egy speciális σ 32 szigmafaktoron keresztül [10] .
A Bradyrhizobium japonicumban és a Rhizobium radiobacterben , a Rhizobiales rendbe tartozó proteobaktériumokban a ROSE 1 és ROSE AT2 RNS hőmérőket írták le. A HspA 5'-UTR-jában helyezkednek el, és fiziológiás hőmérsékleten elnyomják a hősokk-fehérjék transzlációját [5] [29] .
Bár az RNS-hőmérőket általában hősokk-fehérjék expressziójával társítják, a hidegsokk-fehérjék expresszióját is szabályozhatják [22] . Például a Thermus thermophilus termofil baktériumban két 7 kDa -os fehérje expresszióját RNS-hőmérő szabályozza [30] , és hasonló mechanizmust írtak le az Escherichia coliban is [23] .
A 37°C-ra reagáló RNS-hőmérőket a kórokozók használhatják a fertőzéssel kapcsolatos gének aktiválására . Például a zöld fluoreszcens fehérjét kódoló gén beoltásával a prfA gén 5'-végére , amely a Listeria monocytogenes virulencia gének kulcsfontosságú transzkripciós szabályozóját kódolja , a prfA expresszió pozitív szabályozását mutatták ki : egy ilyen hibrid gén transzkripcióját a T7 promoter E. coli fluoreszcenciájáról figyelték meg 37 °C-on, de 30 °C-on nem [31] . Az RNS-hőmérők olyan patogén baktériumok virulenciájának szabályozásában vesznek részt, mint a Leptospira interrogans és a Vibrio cholerae [32] . A Shigella dysenteriae patogén baktériumban és az Escherichia coli patogén törzseiben az RNS hőmérők részt vesznek a patogenezist befolyásoló folyamatok szabályozásában [18] [33] [34] .
Néha egy operon több RNS-hőmérővel is szabályozható. Az előrejelzések szerint az E. coli ibpAB operon két együttműködő RNS hőmérőt tartalmaz: a ROSE elemet és az IbpB hőmérőt [35] .
Azt is meg kell jegyezni, hogy az RNS-hőmérők nemcsak egyetlen Shine-Dalgarno szekvenciát tartalmazó monocisztronos transzkriptumok transzlációjának szabályozására használhatók , hanem több Shine-Dalgarno szekvenciát tartalmazó policisztronos transzkriptumok esetében is [18] . Például a Pseudomonas putida esetében a stresszel szembeni ellenállást a tricisztronikus operon biztosítja, amely számos szabadon élő baktérium között megőrződött. Ennek az operonnak az első két génjét RNS-hőmérők szabályozzák [36] .
Az RNS-világ hipotézise azt állítja, hogy kezdetben az RNS az örökletes információ hordozójaként működött, és enzimatikus folyamatokat hajtott végre , a különböző RNS-szekvenciák pedig biokatalizátorként , szabályozóként és szenzorként működtek [37] . Később a szelekció hatására az RNS által ellátott funkciók nagy részét más biomolekulák kezdték ellátni , és a kizárólag RNS-en alapuló életet felváltotta a DNS , RNS és fehérje alapú élet [2] .
Úgy gondolják, hogy az RNS-hőmérők és ribokapcsolók evolúciós szempontból ősi elemek, mivel az evolúciósan legtávolabbi élőlényekben elterjedtek [38] . Feltételezték, hogy az RNS-világban az RNS-hőmérők más RNS-ek hőmérsékletfüggő szabályozását hajtják végre [2] [39] . A modern szervezetekben az RNS-hőmérők valószínűleg „ molekuláris kövületek ”, amelyek sokkal gyakoribbak voltak az RNS régmúlt világában, mint most [2] .
A baktériumokban a génexpresszió hőmérsékletének szabályozására mesterséges RNS-hőmérőket fejlesztenek [40] [24] .
2013-ban "termozimokat" fejlesztettek ki - mesterséges RNS hőmérőket ribozimaktivitással . A termoszenzoros hajtű olvadt állapotban gátolja a ribozim munkáját, amely felszabadítja a riboszómakötő szekvenciát. Magasabb hőmérsékleten a hajtű megolvad, a ribozim inaktiválódik, és a génexpresszió elnyomódik. Így a termozim az emelkedett hőmérsékletekre a természetes RNS-hőmérőkkel ellentétes módon reagál [41] .
2016-ban "hőkapcsolók" létrehozásáról számoltak be - a hőmérséklet-érzékeny RNS-hőmérők és a riboswitch aptamerek egyetlen szerkezetbe történő integrálásáról. A hőkapcsolók alacsony hőmérsékleten ribokapcsolóként működnek, és szerkezetváltással reagálnak a ligandummal való kötésre , magas hőmérsékleten pedig tartósan „be” állapotba kerülnek. Így a hőkapcsolók az első olyan RNS-hőmérők, amelyek a transzkripció szintjén működnek . Az ilyen mesterséges RNS-szabályozók széles körben alkalmazhatók a génexpresszió szabályozására [26] .
2016-ban az RNAiFold2T algoritmust javasolták IRES-t tartalmazó specifikus RNS-hőmérők fejlesztésére. Az ilyen thermo-IRES elemek sapkától független transzlációja 42 °C-on körülbelül 50%-kal intenzívebb, mint 30 °C-on. Translációs hatékonyságuk azonban még mindig kisebb, mint a vad típusú IRES-é, amely nem függ a hőmérséklettől [42] .
| Az RNS típusai | |
|---|---|
| Fehérje bioszintézis | |
| RNS feldolgozás |
|
| A génexpresszió szabályozása |
|
| cisz-szabályozó elemek | |
| Parazita elemek | |
| Egyéb |
|