Ryboregulator
W biologii molekularnej ryboregulator to kwas rybonukleinowy ( RNA ), który reaguje na sygnałową cząsteczkę kwasu nukleinowego poprzez parowanie zasad Watsona-Cricka . Ryboregulator może reagować na cząsteczkę sygnałową na wiele sposobów, w tym translację (lub represję translacji) RNA do białka , aktywację rybozymu , uwolnienie wyciszającego RNA ( siRNA ), zmianę konformacyjną i/lub wiązanie innych kwasów nukleinowych. Ryboregulatory zawierają dwie domeny kanoniczne, domenę sensoryczną i domenę efektorową. Domeny te znajdują się również na przełącznikach ryb , ale w przeciwieństwie do przełączników ryb, domena czujnika wiąże tylko komplementarne nici RNA lub DNA , w przeciwieństwie do małych cząsteczek . Ponieważ wiązanie opiera się na parowaniu zasad, ryboregulator można dostosować do różnicowania i reagowania na poszczególne sekwencje genetyczne i ich kombinacje.
Rodzaje ryboregulatorów
Translacyjny ryboregulator
Ryboregulatory translacji regulują zdolność kompleksu rybosomu do skanowania, składania i/lub translacji cząsteczki RNA na białko. W ryboregulatorach translacji cząsteczka RNA ulega represji lub derepresji w zależności od drugorzędowej struktury cząsteczki RNA. Struktury reagujące na sygnał są zwykle wprowadzane do nieulegającego translacji regionu 5' ( 5'UTR ) cząsteczek RNA przy użyciu standardowych technik biologii molekularnej.
Jak odkryła Marilyn Kozak , kompleks małego ( 40S ) rybosomu skanuje cząsteczkę RNA od nieulegającego translacji regionu 5' do kodonu start. Kiedy kompleks napotka strukturę drugorzędową, musi stopić strukturę, aby dotrzeć do kodonu start lub spadnie z cząsteczki. Kompleks porusza się wzdłuż nieulegającego translacji regionu, aż zatrzyma się tuż przed dotarciem do kodonu start , ponieważ napotyka wysoce konserwatywną sekwencję ( sekwencja konsensusowa Kozaka u eukariontów lub sekwencja Shine-Dalgarno u prokariotów ). Zablokowany kompleks następnie łączy się z dużym rybosomem ( 60S ), aby rozpocząć translację RNA na białko.
Lechner wynalazł pierwszy ryboregulator w 1991 roku. Lechner zastosował samoparującą pętlę pnia , która hamowała translację prokariotycznego RNA, chyba że obecna była komplementarna sekwencja RNA (antyinhibitor). W 1997 roku Black skonstruował pierwszy eukariotyczny ryboregulator wykorzystujący cząsteczki antysensowne do zapobiegania translacji (Nucline RNA). W systemie nukleinowym cząsteczki antysensowne blokują translację, chyba że zostaną usunięte w drodze konkurencyjnej hybrydyzacji i przemieszczenia nici przez określone sekwencje sygnałowe RNA, takie jak RNA HIV i RNA onkogenu. W 2003 roku Black wykazał, że Nucline RNA może działać Operacje logiczne i arytmetyczne ( jeśli-to-else , bramka AND , bramka OR i obliczenia „stężenie molowe x > stężenie molowe y”) w monocytach zakażonych wirusem HIV i komórkach raka piersi .
W 2004 roku Isaacs i in. zmodyfikował oryginalny system Lechnera, aby zademonstrować zarówno trans , jak i cis w komórkach prokariotycznych. Firma Bayer & Smolke rozwinęła w 2005 r. translacyjny ryboregulator, który może reagować na małe cząsteczki, tworząc hybrydową ryboprzełącznika / ryboregulatora, zwaną antyprzełącznikiem. W antyprzełączniku obecność małej cząsteczki organicznej wiąże aptameru w cząsteczce RNA, która demaskuje inaczej zamaskowaną sekwencję antysensowną, która może wiązać i blokować translację docelowego RNA.
Ryboregulator rybozymu
Ryboregulatory rybozymu regulują zdolność katalitycznej cząsteczki RNA do cięcia docelowej sekwencji kwasu nukleinowego. W ryboregulatorach rybozymu cząsteczka RNA rybozymu typu młoteczek jest aktywowana lub inaktywowana w zależności od zmiany struktury drugorzędowej indukowanej przez hybrydyzację cząsteczki sygnałowej, takiej jak pokrewna sekwencja DNA lub RNA. W 2008 roku firma Win & Smolke zaprojektowała regulator rybozymu, który mógłby działać w komórkach drożdży wykonujących operacje logiczne podobne do wcześniejszych ryboregulatorów translacji, w tym bramek AND, NAND , NOR i OR.
Ryboregulator oparty na RNAi
Ryboregulatory RNAi to małe interferujące RNA, które reagują na sygnał wejściowy, taki jak komplementarna hybrydyzacja z cząsteczką DNA lub RNA. Obecność lub brak cząsteczki docelowej określa, czy siRNA obniża ekspresję genów. W 2007 r. Rinaudo i in. wykazali, że ryboregulatory oparte na RNAi mogą również wykonywać operacje logiczne w komórkach.
Ryboregulator pH
Ryboregulatory pH regulują ekspresję genów w odpowiedzi na zmiany pH . Jedyny znany ryboregulator pH reguluje w górę alx w E. coli w warunkach alkalicznych , szczególnie powyżej pH 8. W drodze eksperymentów stwierdzono, że ryboregulator pH znajduje się w 5' UTR genu alx . Przy pH 7 lub niższym element regulujący pH (PRE) występuje w nieaktywnym stanie „N”; w warunkach alkalicznych polimeraza RNA kontroluje fałdowanie tego ncRNA do jego aktywnej formy „H”. Miejsce wiązania rybosomu genu alx jest teraz eksponowane i podjednostka 30s może się związać.
Zastosowania ryboregulatorów
Obecnie ryboregulatory znalazły zastosowanie w obszarze biologii syntetycznej i medycyny spersonalizowanej . W biologii syntetycznej ryboregulatory mogą być wykorzystywane do regulowania odpowiedzi bakteryjnych i sondowania sieci regulacyjnych genów . Studenci studiów licencjackich z biologii systemowej używają znormalizowanych ryboregulatorów do rywalizacji w corocznym konkursie bioinżynierii (międzynarodowy konkurs maszyn inżynierii genetycznej, iGEM ). Ponadto, ponieważ różne ryboregulatory można dostosować do reagowania na złożone sygnały biologiczne, ryboregulatory dają nadzieję na indywidualnie dopasowane leki oparte na RNA, które reagują na geny, małe cząsteczki i białka w poszczególnych komórkach.
Dalsza lektura
- Erdmann VA, Barciszewska MZ, Szymański M, Hochberg A, de Groot N, Barciszewski J (styczeń 2001). „Niekodujące RNA jako ryboregulatory” . Kwasy nukleinowe Res . 29 (1): 189–193. doi : 10.1093/nar/29.1.189 . PMC 29806 . PMID 11125087 .