RNS termometer

'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]

Die FourU termometer RNS motief, met die Shine-Dalgarno volgorde uitgelig.

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

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

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

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

'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

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

• 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 ROSE_AT2 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