Редагування РНК () — спрямована зміна окремих нуклеотидів у РНК після транскрипції; клітинні процеси, що ведуть до модифікації РНК, яка не пов'язана з послідовністю матриці ДНК (чи РНК), з якої зчитана модифікована РНКGott JM, Emeson RB. Functions and mechanisms of RNA editing. Annu Rev Genet 2000;34:499-531. PubMed:11092837. Іншими словами, редагування РНК визначають як таку післятранскрипційну зміну РНК, яка не є сплайсингом, кепуванням, поліаденілюванням або деградацією. Результатом зміни нуклеотидів у РНК можуть бути зміни послідовності амінокислот і функції білка; поява чи зникнення сайтів сплайсингу мРНК; зміна послідовностей тРНК; відміна пригнічення трансляції за допомогою мікроРНК. Коливання рівня редагування РНК спостерігаються при деяких нервових захворюваннях, онкологічних та інфекційних патологіях.
Редагування РНК характерне майже суто для евкаріотів, хоча в бактерій та архей виявлено декілька механізмів редагування тРНК. Різні групи евкаріотів мають різні механізми посттранскрипційної заміни нуклеотидів, що часто є унікальними для кожної групи.
Загальнобіологічне значення Редагування РНК є механізмом посттранскрипційних змін РНК. Цей процес разом з альтернативним сплайсингом збільшує різноманіття білків, які кодуються в ДНК, а також дозволяє розширити функціональну активність некодуючих РНК. Існують різні оцінки поширення редагування РНК у природі, тому і внесок процесу в регуляцію роботи клітини оцінюється спеціалістами неоднозначно. Одразу після відкриття редагування сприймалося як рідкісне явище, характерне для протист і рослин. Натомість 2010 року американська дослідниця Мінг'яо Лі повідомила, що у ссавців редагування зазнають більше як 95 % транскриптівhttp://www.nature.com/news/2010/101105/full/news.2010.586.html. Надалі така оцінка піддавалася критиці молекулярних біологів як перебільшення. До початку 2015 року у людини було надійно встановлено 115 сайтів редагування у мРНК за допомогою аденозин-дезаміназ, які призводили до заміни амінокислоти у білку, а також 53 сайти в мишей, тоді як дрозофіли мають 645 сайтів, а у нервовій системі кальмарів шляхом редагування РНК змінюються амінокислоти 60 % білків. Однак кількість виявлених випадків редагування РНК постійно зростає, особливо у регуляторних некодуючих ділянках РНК, що свідчить про непересічну роль механізму. Посилене редагування РНК у мозку та імунній системі ссавців вказує на те, що ця система регуляції роботи клітини забезпечує тонке налагодження процесів, пов'язаних із пам'яттю, навчанням, імунною відповіддю.
У рослин та грибів редагування РНК має адаптивне значення і призводить до виправлення помилок, які накопичуються в геномній ДНК ядра та органел.
Історія відкриття
1986 року нідерландська група біохіміків під керівництвом професора Жака ван Бома з Лейденського університету опублікувала в журналі «Cell» дослідження мітохондріальних РНК одного з видів трипаносомhttp://www.research.leiden.edu/famous/boom.htmlRob Benne, Janny Van Den Burg, Just P.J. Brakenhoff, Paul Sloof, Jacques H. Van Boom, Marijke C. Tromp, Major transcript of the frameshifted coxll gene from trypanosome mitochondria contains four nucleotides that are not encoded in the DNA, Cell, Volume 46, Issue 6, 12 September 1986, Pages 819—826, , http://dx.doi.org/10.1016/0092-8674(86)90063-2.. Дослідники повідомили, що білок цитохромоксидази II відрізняється від передбачуваного продукту свого гену, починаючи зі 170-го амінокислотного залишку. Оскільки цей ген є висококонсервативним між різними видами трипаносом, вчені припустили, що він є функціонально важливим. Виявилось, що мРНК, яка зчитується з цього гену, має 4 додатково вставлені урацилові нуклеотиди, що й зсувало рамку зчитування триплетного коду. Нідерландські дослідники постулювали, що ці нуклеотиди вставляються після або під час транскрипції і є наслідком невідомого процесу, який вони назвали «редагуванням РНК».
Мітохондрії кінетопластид є унікальними органелами, тому дослідники були дуже обережними щодо екстраполяції свого відкриття на інші організми. Надалі виявилось, що більшість мітохондріальних мРНК трипаносом зазнають редагування зі вставлянням чи вилученням урацилів.
1987 року подібне явище було виявлено у людини. Група американських вчених із Техасу досліджувала білок аполіпопротеїн B, що існує у двох формах: ApoB-100 й ApoB-48. Перша ізоформа за амінокислотною послідовністю збігалася з теоретично передбаченою з нуклеотидів гену ApoB, тоді як інша, менша за розміром, хоча й мала антигенні властивості N-кінцевої ділянки першої, проте значно відрізнялася за функцією. Більша форма ApoB-100 синтезується в печінці й відповідає за обмін ліпідів, перебуваючи у складі ліпопротеїдів великої і низької щільності в плазмі крові. Менша форма ApoB-48 секретується клітинами тонкої кишки. Аналіз мРНК у печінці й кишці виявив наявність повних транскриптів гену ApoB, але в кишці цитозин у 6457 положенні було замінено на урацил. Така заміна в цьому місці перетворювала кодон ЦАА, що кодує амінокислоту глутамін, на триплет УАА, що є одним зі стоп-кодонів. Це призводило до припинення трансляції білку й утворення вкороченої молекули ApoB-48. Автори дослідження не знали про роботу нідерландських біохіміків на трипаносомах, тому висунули гіпотезу про відкриття унікального механізму зміни транскрипції. Надалі було описано цілу систему дезамінування цитозинів у мРНК після транскрипції.
Наступним кроком, що склав цілісне уявлення про процес редагування РНК, стала опублікована 1991 року в журналі Cell наукова праця німецької групи нейробіологів із Гейдельберзького університету, які досліджували глутаматні рецептори. Електрофізіологічні експерименти довели, що існує два функціональних типи глутаматних рецепторів у мозку ссавців: одні, які пропускають лише іони натрію, та інші, проникні як для іонів натрію, так і для іонів кальцію. Селективність AMPA- і каїнатних глутаматних рецепторів забезпечується залишком аргініну або глутаміну в локусі на другому трансмембранному сегменті пептидного ланцюга. Дослідники виявили наявність як аргінінового, так і глутамінового кодону в мРНК глутаматних рецепторів, тоді як їхні гени містять лише триплети глутаміну. Заміна призводила до появи гуанінового нуклеотиду замість аденінового, тобто А змінювалося на Г. Відмінність між геномною ДНК і мРНК було пояснено саме явищем редагування РНК, до якого німецькі науковці вперше віднесли й нуклеотидні вставки в мітохондріях трипаносом, і появу стоп-кодону в аполіпопротеїні B. Це відкриття дало поштовх для дослідження системи аденіндезаміназ і всього розмаїття механізмів редагування РНК.
Аденозиндезамінази було відкрито наприкінці 1980-х років під час вивчення гіпермутагенезу вірусів кору. Було доведено, що при персистуванні інфекції в мозку значна кількість вірусної РНК мала велику кількість замін У на ЦCattaneo R, Schmid A, Eschle D, Baczko K, ter Meulen V, Billeter MA. Biased hypermutation and other genetic changes in defective measles viruses in human brain infections. Cell. 1988 Oct 21;55(2):255-265.. Пізніше дослідники звернули увагу, що такі заміни відповідають мутаціям у РНК-матриці А на Г, і зіставили цей факт із можливою заміною А на ІBass BL, Weintraub H, Cattaneo R, Billeter MA (1989) Biased hypermutation of viral RNA genomes could be due to unwinding/modification of double-stranded RNA. Cell 56: 331 Надалі було доведено, що така реакція справді відбувається, здійснюється вона аденозиндезаміназою, що є інтерферон-залежною й дезамінує аденозини у дволанцюговій РНК ()Weier, H. U. G., George, C. X., Greulich, K. M., & Samuel, C. E. (1995). The interferon-inducible, double-stranded RNA-specific adenosine deaminase gene (DSRAD) maps to human chromosome 1q21. 1-21.2. Genomics, 30(2), 372—375..
У рослин редагування РНК було вперше визначено у 1989 році в мітохондріях, а 1991 року в хлоропластах. Ген рибосомного білку L2 хлоропластів рису посівного та кукурудзи замість старт-кодону АУГ чи ГУГ, які кодують амінокислоту метіонін, мав триплет АЦГ (кодує треонін). Таким чином, трансляція білкового продукту була теоретично неможливою, оскільки синтез будь-якого білка починається з метіоніна, однак в реальності білок був виявлений в рибосомах хлоропластів. Німецькі дослідники припустили, що послідовність нуклеотидів у мРНК цього гену відрізняється від послідовності кільцевої ДНК хлоропласту, та дійсно виявили явище заміни Ц на У, яке призводило до появи старт-кодону.
Типи редагування До відкриття нових сайтів редагування призводить накопичення інформації про послідовності ДНК і кДНК живих організмів. Усе кращі методи секвенування ДНК дозволяють отримати послідовність нуклеотидів, що містить мінімум помилок, а порівняння сиквенсу геномної ДНК і мРНК дає змогу знайти відмінності між цими послідовностями. У передгеномну еру такі відмінності пояснювали методичними помилками, але нові підходи «глибокого» багаторазового читання геномів і транскриптомів зводять можливі помилки до мінімуму. Таким чином, дослідження редагування РНК відбувається спочатку за результатами редагування в РНК, а вже потім вивчаються механізми таких редагувань. Тому для деяких типів редагування молекулярних систем досі не описано.
За якістю змін у послідовності РНК розрізняють такі типи редагування: вставки (інсерції) нуклеотидів видалення (делеції) нуклеотидів заміни нуклеотидів, що не призводять до зсуву рамки зчитування та не впливають на кількість нуклеотидів у РНК.
Найбільш поширеними серед усіх груп евкаріотичних організмів є саме нуклеотидні заміни: заміна А на І (або на Г) — найчастіше відбувається шляхом дезамінування аденозину (А) з утворенням інозину (І), нуклеозиду, який містить мінорну азотисту основу гіпоксантин, що розпізнається клітинними системами (трансляції, реплікації, репарації тощо) як гуанозин (Г); реакція здійснюється ферментами аденозин-дезаміназами заміна Ц на У — найчастіше відбувається шляхом дезамінування цитидину (Ц) з утворенням уридину (У); реакція здійснюється ферментами цитидиндезаміназами в тварин та PPR-білками в рослин заміни Г на А, У на Ц та деякі інші описано в літературі, але механізми для них поки що залишаються невідомими.
Системи редагування
Редагування А на І
Аденозин-дезамінази РНК
Аденозин-дезамінази РНК (ADAR) являють собою родину ферментів, які взаємодіють із дволанцюговою РНК, відщеплюють від аденозинового нуклеотиду NH2-групу та перетворюють його на інозин. За амінокислотною послідовністю й рентгенограмами білкових кристалів вони принципово відрізняються від інших аденозиндезаміназ (ADA), що відщеплюють аміногрупу від аденозинмонофосфату (АМФ). Деяку гомологію спостерігають між генами ADAR та цитозиндезаміназ, що може свідчити про їх походження від спільного гену-предка. Утворений внаслідок дезамінування нуклеотид інозин розпізнається системами трансляції, РНК-інтерференції, зворотної транскрипції та іншими молекулярними машинами, побудованими на принципі комплементарності, як гуанозин.
До родини аденозин-дезаміназ у ссавців належать 3 гени: ADAR1, ADAR2, ADAR3. Білок ADAR3 присутній лише в головному мозку, тоді як ADAR1 і ADAR2 наявні в усіх тканинах, хоча більше їх також у ЦНС. Аденозин-дезамінази діють у формі димерів. Кожен із білків ADAR має у своєму складі РНК-зв'язуючий домен, який містить іон цинку. Також в активному центрі ферменту є молекула інозитол-гексафосфату (IP6).
Найбільшу кількість генів ADAR станом на 2018 рік мають реброплави, у геномі яких наявні 4 ізоформи аденозиндезаміназ. Ці ферменти є найбільш активними під час ембріогенезу.