Рибопереключа́тель () — элемент, как правило, 5'-нетранслируемой области (5'-НТО) мРНК (есть и рибопереключатели в 3'-НТО, например, в гене THIC у резуховидки Таля, фермента биосинтеза тиамина). Он осуществляет цис-регуляцию мРНК, на которой находится, путём связывания с лигандами — разнообразными малыми молекулами, например, кобаламидом, тиаминпирофосфатом, лизином, глицином, флавинмононуклеотидом, гуанином, аденином и другими. Типичный рибопереключатель включает два основных домена: аптамерный домен, осуществляющий распознавание лиганда и связывание с ним, и платформу экспрессии (), которая взаимодействует с белками транскрипции или трансляции. Аптамерный домен и платформа экспрессии перекрываются в области так называемой переключающей последовательности, которая и отвечает за сворачивание РНК в две взаимноисключающие вторичные структуры, за счёт чего и осуществляется регуляция.

Рибопереключатели выявлены у представителей всех трёх доменов жизни, а также некоторых вирусов.

История изучения Многие бактерии могут или транспортировать необходимые малые молекулы из окружающей среды, или синтезировать их самостоятельно из простых предшественников. Для каждого из этих процессов требуется особый набор белков, и бактерии часто используют механизм обратной связи для контроля продуктами предшествующих ферментативных стадий: избыток необходимого продукта или подавляет свой собственный синтез, или активирует последующие ферментативные стадии. Обычно уровень клеточных метаболитов отслеживается специальными белками, которые взаимодействуют с ДНК или РНК, регулируя синтез соответствующих ферментов. По этой причине, когда открыли подавление генов биосинтеза витаминов B1, B2 и B12 такими соединениями, как тиамин, рибофлавин и кобаламин соответственно, основные усилия были направлены на поиск соответствующих белков-репрессоров, отслеживающих уровень этих соединений. Однако такие гипотетические модуляторы не были найдены. Эти результаты заставили обратить внимание на возможную регуляторную роль консервативных последовательностей мРНК («боксов») и сделать смелое предположение, что, возможно, уровень этих производных витаминов отслеживается непосредственно РНК. Кроме того, в 1998 году Grundy и Henkin показали, что лидерная область мРНК cob имеет значительно различающиеся конформации в присутствии и в отсутствие аденозилкобаламина (AdoCbl). Однако попытки непосредственно проверить связывание кобаламина с мРНК не увенчались успехом. Схожие результаты были получены с мРНК btuB Escherichia coli: добавление AdoCbl заставляло обратную транскриптазу остановиться вблизи 3'-конца лидерного участка мРНК в ходе in vitro удлинения праймеров, что, судя по всему, говорит о стабилизации этого участка при связывании с метаболитом.

В конце концов, было показано, что три производных витаминов — тиаминпирофосфат (ТРР), флавинмононуклеотид (FMN) и AdoCbl — непосредственно взаимодействуют с соответствующими мРНК, контролируя опероны витаминов B1, B2 и B12. Эти сообщения показали, что связывание метаболитов стабилизирует конформацию эволюционно консервативного РНК-сенсора (природного аптамера) и индуцирует укладку неконсервативных нижележащих областей РНК в такую структуру, которая влияет на терминацию транскрипции или инициацию трансляции. Таким образом, непосредственное связывание метаболита с РНК вызывает «рибопереключение» мРНК между альтернативными конформациями, влияя на экспрессию генов. Термин «рибопереключатель» () был предложен в 2002 году Breaker и коллегами.

Регуляторные механизмы

После открытия первых рибопереключателей, специфичным к витаминам, было открыто множество других типов рибопереключателей. К настоящему моменту установлено, что рибопереключатели могут реагировать на пурины и их производные, коферменты белков и родственные соединения, аминокислоты и фосфорилированные сахара. Некоторые рибопереключатели специфично реагируют на неорганические лиганды, в том числе металлы (ионы Mg2+), которые притягиваются к отрицательно заряженному сахарофосфатному остову РНК и к отрицательно заряженным анионам фтора.

Функционально и структурно в рибопереключателях можно выделить два домена. Первый из них — аптамерный домен — отвечает за связывание с лигандом и формирует лиганд-связывающий карман, подходящий для определённого лиганда. Второй домен, известный как платформа экспрессии, содержит переключательный элемент вторичной структуры, взаимодействующий с регуляторными белками транскрипции и трансляции. Аптамерный домен и платформа экспрессии перекрываются в области переключающей последовательности, которая и выполняет регуляторную функцию. Переключающая последовательность направляет смену двух взаимоисключающих структур платформы экспрессии, которые соответствуют «включённому» и «выключенному» состояниям мРНК.

Несмотря на огромное разнообразие лигандов рибопереключателей, регуляторная активность подавляющего большинства бактериальных рибопереключателей направлена на изменение транскрипции или трансляции генов, отвечающих за транспорт и синтез этого метаболита. Эта регуляторная активность основана на том, что в зависимости от присутствия лиганда РНК может принимать две взаимно исключающие конформации. В случае транскрипции такие структуры выступают в качестве Rho-независимых терминаторных или антитерминаторных шпилек. В случае трансляции перестройки, зависимые от лиганда, включают выставление наружу или упаковку внутрь сайтов связывания рибосомы () или последовательности Шайна — Дальгарно (). Недавние исследования показали, что рибопереключатели могут осуществлять Rho-зависимую терминацию транскрипции. Этот регуляторный механизм, по-видимому, широко распространён, так как у ряда рибопереключателей отсутствуют Rho-независимые терминаторы или шпильки, убирающие RBS или SD внутрь молекулы.

Необычный способ регуляции использует рибопереключатель-рибозим glmS, который обеспечивает разрезание мРНК после связывания с метаболитом. Эта некодирующая РНК, как правило, имеется у грамположительных бактерий и взаимодействует с глюкозамин-6-фосфатом (GlcN6P), который после связывания с мРНК glmS разрезает её в районе рибопереключателя. После этого РНКаза J разрушает продукт разрезания, начиная с 5'-OH конца, тем самым предотвращая трансляцию мРНК glmS. Рибопереключатель-рибозим glmS разрушает традиционное представление о том, что рибопереключатель распознаёт только одно соединение: этот рибопереключатель может связываться с целым рядом родственных соединений, а потому может служить для оценки общего метаболического статуса клетки.

Некоторые рибопереключатели могут участвовать в различных регуляторных процессах. Циклический дигуанозил-5'-монофосфат (c-di-GMP), вторичный посредник, запускает ряд физиологических изменений, и соответствующие ему рибопереключатели располагаются рядом с генами, участвующими в обеспечении клеточной подвижности, вирулентности и других процессов. Некоторые рибопереключатели, работающие с c-di-GMP, располагаются рядом с . Эти РНК-регуляторы функционируют за счёт сложного каскада событий, требующих участия обоих регуляторных участков РНК. c-di-GMP связывается со своим аптамером и индуцируют изменение его укладки, которое позволяет GTP атаковать 5'-конец интрона. В результате интрон вырезается, и удалённые друг от друга участки RBS сближаются, формируя мРНК, способную к трансляции. Такое объединённое аллостерическое взаимодействие двух участков РНК даёт систему с двумя точками контроля, которая распознаёт концентрации и c-di-GMP, и GTP, и запускает сплайсинг. Эта гипотеза требует экспериментального подтверждения.

После открытия рибопереключателей было высказано предположение, что эти типичные цис-регуляторные элементы могут выступать и в роли транс-регуляторных элементов. Судя по всему, это верно по крайней мере для S-аденозилметиониновых (SAM) рибопереключателей SreA и SreB . После SAM-зависимой терминации транскрипции эти рибопереключатели комплементарно связываются с 5'-нетранслируемой областью (5'-UTR) мРНК, кодирующей фактор вирулентности PrfA, и подавляют его экспрессию на уровне трансляции.

У эукариот разобщение транскрипции и трансляции, а также наличие интронов требует участия различных механизмов регуляции экспрессии генов. Эукариотические тиаминпирофосфатные (ТРР) рибопереключатели влияют не на транскрипцию и/или трансляцию, а на альтернативный сплайсинг. «Нормальный» сплайсинг происходит тогда, когда участок внутри рибопереключателя, расположенного в межгенном участке или 3'-НТО, комплементарно спаривается с участком, перекрывающим один из сайтов сплайсинга. Это происходит в отсутствие ТРР. Получающийся после сплайсинга продукт транслируется в полноценный белок. Когда ТРР присутствует в клетке в пороговой концентрации, он связывается с рибопереключателем, в результате чего доселе скрытый сайт сплайсинга выходит на поверхность и становится доступным для аппарата сплайсинга. В зависимости от вида альтернативно сплайсированная мРНК содержит внутренние стоп-кодоны, которые или приводят к трансляции неправильного пептида (нитчатые грибы), или к преждевременной терминации трансляции (зелёные водоросли). У высших растений результатом альтернативного сплайсинга являются транскрипты со слишком длинными 3'-НТО, которые их дестабилизируют. Иногда рибопереключатели могут осуществлять регуляцию и на уровне транскрипции, и на уровне трансляции. Рибопереключатель SAM-I в ответ на изменение концентрации серы откликается образованием антисмысловой РНК, но детали процесса регуляции всё ещё неизвестны.

Хотя достоверно описанные эукариотические рибопереключатели относятся только к ТРР-зависимым системам, недавнее исследование показало наличие аденозин-связывающих РНК-аптамеров в геномах позвоночных. Биологическая роль этих РНК ещё изучается. Некоторые эукариотические мРНК могут отвечать на изменения окружающей среды, меняя одну из альтернативных конформаций на другую, подобно рибопереключателям. Например, в ответ на сигналы от интерферона-γ и гипоксии в 3'-НТО мРНК фактора роста сосудистого эндотелия-А (VEGF) происходит РНК-переключение, влияющее на трансляцию VEGF в миелоидных клетках. Однако изменение конформации в этом случае связано не с метаболитом, а с связыванием с белками в ответ на внешний стимул.

Рибопереключатели не всегда функционируют как одиночные регуляторные единицы. Два сенсорных домена или целые рибопереключатели (в случае так называемых тандемных рибопереключателей) иногда располагаются по соседству. Например, многие глициновые рибопереключатели состоят из двух сенсоров глицина, разделённых короткой линкерной вставкой, и могут принимать очень сложную третичную структуру. Даже несмотря на то что два сенсорных домена могут помогать друг другу в фолдинге и связывании с лигандом, биологическая цель такой дупликации ещё не установлена однозначно. Биологическая роль тандемных рибопереключателей с разными специфичностями более ясна. Они модулируют экспрессию генов только тогда, когда в клетке имеются все необходимые метаболиты. Опосредованные рибопереключателями регуляторные пути могут быть включены в другие, ещё более сложные системы регуляции экспрессии генов. Например, SAM-рибопереключатели L. monocytogenes функционируют только при температурах, пермессивных для инфекции, когда расположенный по соседству РНК-термометр меняет свою конформацию и расплавляется. Другой пример — использование этаноламина Enteroccus faecalis, при котором рибопереключатель AdoCbl действует совместно с белком-регулятором, который влияет на стабильность терминаторов транскрипции.

Архитектура