Biogeneza ribozomilor - Ribosome biogenesis

Biogeneza și asamblarea ARNr în procariote și eucariote. In special in Eucariotele 5S ARNr este sintetizat prin ARN polimeraza III în timp ce alte molecule eucariota ARNr sunt transcrise de ARN polimeraza I .

Biogeneza ribozomilor este procesul de fabricare a ribozomilor . La procariote , acest proces are loc în citoplasmă cu transcrierea multor operoni genici ai ribozomilor . În eucariote, are loc atât în citoplasmă, cât și în nucleol . Aceasta implică funcția coordonată a peste 200 de proteine în sinteza și prelucrarea celor trei ARNr procariote sau patru eucariote , precum și asamblarea acestor ARNr cu proteinele ribozomale. Majoritatea proteinelor ribozomale se încadrează în diferite familii de enzime consumatoare de energie, inclusiv ARP helicaze dependente de ATP , AAA-ATPaze , GTPaze și kinaze . Aproximativ 60% din energia unei celule este cheltuită pentru producerea și întreținerea ribozomilor.

Biogeneza ribozomului este un proces foarte bine reglementat și este strâns legată de alte activități celulare, cum ar fi creșterea și divizarea.

Unii au speculat că, la originea vieții, biogeneza ribozomilor precedă celulele și că genele și celulele au evoluat pentru a spori capacitatea de reproducere a ribozomilor.

Ribozomi

Ribozomii sunt mașinile macromoleculare care sunt responsabile de traducerea ARNm în proteine. Ribozomul eucariot, numit și ribozomul 80S, este alcătuit din două subunități - subunitatea mare 60S (care conține 25S [în plante] sau 28S [la mamifere], 5.8S și 5S rARN și 46 proteine ​​ribozomale) și o subunitate mică 40S (care conține ARNr 18S și 33 proteine ​​ribozomale). Proteinele ribozomale sunt codificate de gene ribozomale.

ARNr găsit în ribozomii procariote și eucariote
Tip mărimea Subunitate mare ( ARNr LSU ) Subunitate mică ( SSU rRNA )
procariotă 70S 50S ( 5S  : 120 nt, 23S  : 2906 nt) 30S ( 16S  : 1542 nt)
eucariotă 80S 60S ( 5S  : 121 nt, 5.8S  : 156 nt, 28S  : 5070 nt) 40S ( 18S  : 1869 nt)

Procariote

Există 52 de gene care codifică proteinele ribozomale și pot fi găsite în 20 de operoni din ADN procariot. Reglarea sintezei ribozomilor depinde de reglarea în sine a ARNr .

În primul rând, o reducere a aminoacil-ARNt va determina celula procariotă să răspundă prin scăderea transcripției și a traducerii . Acest lucru se întâmplă printr-o serie de pași, începând cu factori stricți care se leagă de ribozomi și catalizează reacția:
GTP + ATP -> pppGpp + AMP

Γ-fosfatul este apoi îndepărtat și ppGpp se va lega și va inhiba ARN polimeraza. Această legare determină o reducere a transcripției ARNr. O cantitate redusă de ARNr înseamnă că proteinele ribozomale (proteinele r) vor fi traduse, dar nu vor avea un ARNr la care să se lege. În schimb, vor feedback negativ și se vor lega de propriul lor ARNm, reprimând sinteza proteinei r. Rețineți că proteinele r se leagă preferențial de ARNr-ul lor complementar dacă este prezent, mai degrabă decât de ARNm.

Operonii ribozomului includ, de asemenea, genele pentru ARN polimeraza și factorii de alungire (utilizați în traducerea ARN). Reglarea tuturor acestor gene ilustrează simultan cuplarea dintre transcriere și traducere în procariote.

Eucariote

Sinteza proteinelor ribozomale în eucariote este o activitate metabolică majoră. Apare, ca majoritatea sintezei proteinelor, în citoplasmă chiar în afara nucleului. Proteinele ribozomale individuale sunt sintetizate și importate în nucleu prin porii nucleari . Vedeți importul nuclear pentru mai multe despre mișcarea proteinelor ribozomale în nucleu.

ADN-ul este transcris, la viteză mare, în nucleol , care conține toate genele 45S rARN. Singura excepție este ARNr 5S care este transcris în afara nucleolului . După transcriere, ARNr se asociază cu proteinele ribozomale, formând cele două tipuri de subunități ribozomale (mari și mici). Acestea se vor asambla ulterior în citosol pentru a produce un ribozom funcțional. Vedeți exportul nuclear pentru mai multe despre mișcarea subunităților ribozomale în afara nucleului.

Prelucrare

Celulele eucariote co-transcriu trei dintre speciile de ARNr mature printr-o serie de etape. Procesul de maturizare a ARNr și procesul de recrutare a proteinelor R se intampla in particule precursoare ribozomale, numite uneori pre-ribozomi, și are loc în nucleol , nucleoplasmei și citoplasmă . Drojdia, S. cerevisiae este organismul model eucariot pentru studiul biogenezei ribozomilor. Biogeneza ribozomului începe în nucleol . Acolo, subunitățile 18S, 5.8S și 25S ale ARNr sunt cotranscrise din genele ribozomale ca transcript policristonic de ARN polimeraza I și se numește pre-ARN 35S.

Transcrierea polimerazei I începe cu un complex de inițiere Pol I care se leagă de promotorul ADNr . Formarea acestui complex necesită ajutorul unui factor de activare în amonte sau UAF care se asociază cu proteina de legare a cutiei TATA și factorul de bază (CF). Împreună, cei doi factori de transcripție permit complexului ARN pol I să se lege cu factorul de inițiere al polimerazei I, Rrn3. Pe măsură ce transcrierea pol I este produsă, aproximativ 75 de ribonucleoparticule nucleolare mici (snoRNPs) facilitează modificările covalente co-transcripționale ale> 100 resturi de ARNr. Aceste snoRNP controlează metilarea 2'-O-ribozei nucleotidelor și, de asemenea, ajută la crearea pseudouridinelor . La capătul 5 'al transcrierilor ARNr, proteinele ribozomale subunitare mici (Rps) și factorii non-ribozomali se asamblează cu transcrierile pre-ARN pentru a crea butoane asemănătoare bilelor. Aceste butoane sunt primele particule pre-ribozomale din calea subunității ribozomale mici (40S). Transcriptul de ARNr este scindat la locul A2, iar acest lucru separă pre-ribozomul timpuriu 40S de pre-ARNm rămas care se va combina cu proteine ​​ribozomale subunitare mari (Rpl) și alți factori non-ribozomali pentru a crea particulele ribozomale pre-60S .

Subunitate 40S

Ansamblul transcripțional al precursorului subunității 40 S , uneori denumit procesom subunitate mică (SSU) sau particulă 90S se întâmplă într-un mod ierarhic - în esență, o încorporare în trepte a subcomplexelor UTP-A, UTP-B și UTP-C. Aceste subcomplexe sunt alcătuite din peste 30 de factori de proteină non-ribozomală, particulă snoRNP U3, câteva proteine ​​Rps și pre-rRNA 35S. Rolul lor exact, deși nu a fost descoperit. Compoziția particulelor pre-40S se modifică drastic odată cu decolarea la situsurile U3 snoRNPA dependente (siturile A0, A1 și A2). Acest eveniment de clivare creează pre-ARNr 20S și determină disocierea factorilor ribozomali de particula pre-40S. U3 este deplasat din nașterea 40S de helicaza Dhr1. În acest moment al procesului de biogeneză a ribozomilor, pre-ribozomul 40S arată deja structurile „capului” și „corpului” subunității 40S mature. Pre-ribozomul 40S este transportat în afara nucleolului și în citoplasmă. Pre-ribozomul citoplasmatic 40S conține acum proteine ​​ribozomale, ARNr din anii 20 și câțiva factori non-ribozomali. Formarea finală a structurii „ciocului” subunității 40S are loc după un eveniment de fosforilare și defosforilare care implică complexul Enp1-Ltv1-Rps3 și kinaza , Hrr25. Scindarea pre-ARNr 20S la locul D creează ARNr matur din 18 ani. Acest eveniment de scindare este dependent de mai mulți factori non-ribozomali, cum ar fi Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 și Fap7.

Subunitate 60S

Maturizarea subunității pre-60S într-o subunitate 60S matură necesită mulți factori de biogeneză care se asociază și se disociază. În plus, unii factori de asamblare se asociază cu subunitatea 60S, în timp ce alții interacționează doar cu ea temporar. Ca o tendință generală, maturarea subunității pre-60S este marcată de o scădere treptată a complexității. Subunitatea se maturizează pe măsură ce se deplasează de la nucleol la citoplasmă și, treptat, numărul factorilor care acționează trans este redus. Maturizarea subunității 60S necesită ajutorul a aproximativ 80 de factori. Opt dintre acești factori sunt implicați direct în procesarea pre-rARN-ului 27S A3, care completează de fapt formarea capătului 5'-matur al rARN-ului 5.8S. Factorii A3 se leagă de siturile îndepărtate de pe pre-ARN, precum și unul de celălalt. Ulterior, ele aduc zone apropiate de ARNr și promovează procesarea pre-ARNR și recrutarea proteinelor ribozomale. Trei ATPaze de tip AAA funcționează pentru a elimina factorii din pre-ribozomul de maturitate 60S. Una dintre ATPaze este o proteină Rea1 asemănătoare dinineinei formată din 6 domenii diferite de ATPază care formează o structură inelară. Structura inelului este atașată la o coadă flexibilă care se întâmplă să aibă un vârf MIDAS (site de aderență dependentă de ionul metalic). Rea1 interacționează cu pre-ribozomul 60S prin inelul său, în timp ce două substraturi , Ytm1 și Rsa1, interacționează cu Rea1 prin vârful MIDAS. Rolul acestor substraturi nu a fost încă definit. Ambele, totuși, împreună cu interacțiunile lor, sunt îndepărtate în procesul de maturare a pre-ribozomului 60S. Celelalte două ATPaze, Rix7 și Drg1 funcționează, de asemenea, pentru a elimina factorii de asamblare din subunitatea 60S de maturare. Helicases și GTPases sunt de asemenea implicați în îndepărtarea factorilor de asamblare și rearanjarea ARN - ului pentru a forma completat 60S subunitatea. Odată ajuns în citoplasmă (a se vedea exportul nuclear), subunitatea 60S este supusă procesării pentru a fi funcțională. Restul particulelor mari ribosomale ale subunității se asociază cu unitatea 60S și factorii de asamblare non-ribozomali rămași se disociază. Eliberarea factorilor de biogeneză este mediată în principal de GTPaze precum Lsg1 și ATPaze precum Drg1. Secvența exactă a acestor evenimente rămâne neclară. Calea maturării citoplasmatice 60S rămâne incompletă în ceea ce privește cunoștințele actuale.

Exportul nuclear

Pentru ca unitățile pre-ribozomale să se maturizeze complet, acestea trebuie exportate în citoplasmă . Pentru a trece eficient de la nucleol la citoplasmă, pre-ribozomii interacționează cu receptorii de export pentru a se deplasa prin canalul central hidrofob al complexului de pori nucleari. Karyopherin Crm1 este receptorul pentru ambele subunități ribozomale și mediaza export într - un Ran-GTP manieră dependentă. Recunoaște moleculele care au semnale de export nucleare bogate în leucină . Crm1 este tras la subunitatea mare 60S cu ajutorul unei proteine ​​adaptoare numită Nmd3. Proteina adaptor pentru unitatea 40S este necunoscută. În plus față de Crm1, alți factori joacă un rol în exportul nuclear de pre-ribozomi. Un receptor general de export de ARNm, numit Mex67, precum și o proteină care conține căldură care repetă, Rrp12, facilitează exportul ambelor subunități. Acești factori sunt proteine ​​neesențiale și ajută la optimizarea exportului pre-ribozomilor, deoarece sunt molecule mari.

Control de calitate

Deoarece ribozomii sunt atât de complexi, un anumit număr de ribozomi sunt asamblați incorect și ar putea risipi energia și resursele celulare atunci când sintetizează proteinele nefuncționale. Pentru a preveni acest lucru, celulele au un sistem activ de supraveghere pentru a recunoaște ribozomii deteriorați sau defecți și pentru a le viza spre degradare. Mecanismul de supraveghere este în vigoare pentru detectarea pre-ribozomilor nefuncționali, precum și a ribozomilor maturi nefuncționali. În plus, sistemul de supraveghere aduce echipamentul de degradare necesar și degradează de fapt ribozomii nefuncționali. Pre-ribozomii care se acumulează în nucleu sunt distruși de exosom , care este un complex multisubunitar cu activitate de exonuclează . Dacă subunitățile ribozomale defecte se întâmplă să iasă din nucleol și în citoplasmă, există un al doilea sistem de supraveghere în loc pentru a viza ribozomii care funcționează defectuos în citoplasmă pentru degradare. Anumite mutații ale reziduurilor subunității mari a ribozomilor vor duce de fapt la degradarea ARN și, astfel, la degradarea unității. Deoarece cantitatea de defecte posibile în asamblarea ribozomilor este atât de extinsă, nu se știe încă modul în care sistemul de supraveghere detectează toate defectele, dar s-a postulat că, în loc să vizeze defecte specifice, sistemul de supraveghere recunoaște consecințele acestor defecte. - cum ar fi întârzierile de asamblare. Adică, dacă există o întrerupere în asamblarea sau maturarea unui ribozom matur, sistemul de supraveghere va acționa ca și cum subunitatea ar fi defectă.

Boala umană

Articolul principal: Ribosomopatia

Mutațiile din biogeneza ribozomilor sunt legate de mai multe boli genetice ale ribozomopatiei umane , inclusiv sindroame moștenite ale insuficienței măduvei osoase, care se caracterizează printr-o predispoziție la cancer și un număr redus de celule sanguine. Disregularea ribozomală poate juca, de asemenea, un rol în risipa musculară .

Vezi si

Referințe

  1. ^ a b c d e f g Kressler, Dieter; Hurt, Ed; Babler, Jochen (2009). "Asamblarea ribozomului de conducere" (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Cercetarea celulelor moleculare . 1803 (6): 673-683. doi : 10.1016 / j.bbamcr.2009.10.009 . PMID  19879902 .
  2. ^ Krista Conger (26 iunie 2017). Cercetatorii spun ca un proces nou identificat de reglementare a genelor provoaca stiinta acceptata. În cadrul Stanford Medicine . 9 (12). Universitatea Stanford.
  3. ^ a b c d e f g h Thomson, Emma; Ferreira-Cerca, Sebastien; Hurt, Ed (2013). „Biogeneză ribozomică eucariotă dintr-o privire” . Journal of Cell Science . 126 (21): 4815–4821. doi : 10.1242 / jcs.111948 . PMID  24172536 .
  4. ^ Lu T, Stroot PG, Oerther DB (2009). "Transcrierea inversă a ARNr-ului 16S pentru a monitoriza populațiile bacteriene care sintetizează ribozomii din mediu" . Microbiologie aplicată și de mediu . 75 (13): 4589–4598. Bibcode : 2009ApEnM..75.4589L . doi : 10.1128 / AEM.02970-08 . PMC  2704851 . PMID  19395563 .
  5. ^ Root-Bernstein, Meredith; Root-Bernstein, Robert (21 februarie 2015). „Ribozomul ca verigă lipsă în evoluția vieții” . Journal of Theoretical Biology . 367 : 130–158. doi : 10.1016 / j.jtbi.2014.11.025 . PMID  25500179 .
  6. ^ Thomson, E .; Ferreira-Cerca, S .; Hurt, E. (2013). „Biogeneza ribozomului eucariot dintr-o privire” . Journal of Cell Science . 126 (21): 4815–4821. doi : 10.1242 / jcs.111948 . PMID  24172536 .
  7. ^ " ARN ribozomal Homo sapiens 5S" . 24.05.2018. Citați jurnalul necesită |journal=( ajutor )
  8. ^ " Homo sapiens 5.8S ARN ribozomal" . 10.02.2017. Citați jurnalul necesită |journal=( ajutor )
  9. ^ " ARN ribosomal Homo sapiens 28S" . 04.02.2017. Citați jurnalul necesită |journal=( ajutor )
  10. ^ " Homo sapiens 18S ribosomal ARN" . 04.02.2017. Citați jurnalul necesită |journal=( ajutor )
  11. ^ Lafontaine, Denis LJ (2010). „O„ cutie de gunoi ”pentru ribozomi: modul în care eucariotele își degradează ribozomii”. Trends Biochem Sci . 35 (5): 267-77. doi : 10.1016 / j.tibs.2009.12.006 . PMID  20097077 .
  12. ^ Sardana, R; Liu, X; Granneman, S; Zhu, J; Gill, M; Papoulas, O; Marcotte, EM; Tollervey, D; Correll, CC; Johnson, AW (februarie 2015). "Helicaza DAH-cutie DEAH disociază U3 de pre-ARNr pentru a promova formarea pseudocnotului central" . PLOS Biology . 13 (2): e1002083. doi : 10.1371 / journal.pbio.1002083 . PMC  4340053 . PMID  25710520 .
  13. ^ Connolly, Martin (2017). „miR-424-5p reduce sinteza de ARN ribozomal și proteine ​​în risipa musculară” . Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle . 9 (2): 400–416. doi : 10.1002 / jcsm.12266 . PMC  5879973 . PMID  29215200 .