Was ist RNA-Interferenz? Dieser Begriff bezieht sich auf ein System zur Kontrolle der Aktivität von Genen in eukaryontischen Zellen. Ein ähnlicher Prozess tritt aufgrund kurzer Ribonukleinsäuremoleküle (nicht mehr als 25 Nukleotide pro Kette) auf.
RNA-Interferenz ist durch posttranskriptionelle Hemmung der Genexpression durch Zerstörung oder Deadenylierung von mRNA gekennzeichnet.
Bedeutung
Es wurde in den Zellen vieler Eukaryoten gefunden: Pilze, Pflanzen, Tiere.
RNA-Interferenz gilt als wichtige Möglichkeit, Zellen vor Viren zu schützen. Sie nimmt am Prozess der Embryogenese teil.
Aufgrund der starken und selektiven Wirkung von Ribonukleinsäure auf die Genexpression kann ernsthafte biologische Forschung an lebenden Organismen und Zellkulturen durchgeführt werden.
Früher hatte die RNA-Interferenz einen anderen Namen - Cosuppression. Nach einer detaillierten Untersuchung dieses Prozesses, der den Nobelpreis für Medizin für die Untersuchung des Mechanismus seines Auftretens von Andrew Fire und Craig Melo erhielt, wurde dieser Prozess umbenannt.
Geschichte
Was ist RNA-Interferenz? Seine Entdeckung ist auf ernsthafte vorläufige Beobachtungen unter dem Einfluss von zurückzuführenAntisense-RNA-Hemmung der Expression in Pflanzengenen.
Einige Zeit später erzielten amerikanische Wissenschaftler erstaunliche Ergebnisse, als Transgene in Petunien eingeführt wurden. Die Forscher versuchten, die untersuchte Pflanze so zu verändern, dass die Blüten einen gesättigteren Farbton erhielten. Dazu schleusten sie zusätzliche Kopien des Gens für das Enzym Chalconsynthase in die Zellen ein, das für die Bildung des Purpurpigments verantwortlich ist.
Aber die Ergebnisse der Studie waren völlig unvorhersehbar. Statt der gewünschten Verdunkelung der Blütenkrone der Petunie sind die Blüten dieser Pflanze weiß geworden. Eine verminderte Aktivität des Enzyms Chalconsynthase wird als Cosuppression bezeichnet.
Wichtige Punkte
Folgende Experimente zeigten die Wirkung auf diesen Prozess der posttranskriptionellen Hemmung der Genexpression aufgrund einer Erhöhung des Niveaus des mRNA-Abbaus.
Damals war bekannt, dass Pflanzen, die spezielle Proteine exprimieren, nicht anfällig für eine Infektion durch das Virus sind. Es wurde experimentell festgestellt, dass eine solche Resistenz durch Einführen einer kurzen nichtkodierenden Sequenz viraler RNA in das Pflanzengen erreicht wird.
RNA-Interferenz, deren Mechanismus noch nicht vollständig geklärt ist, wird als „virusinduziertes Gen-Silencing“bezeichnet.
Biologen fingen an, die Summe solcher Phänomene als posttranskriptionelle Hemmung der Genexpression zu bezeichnen.
Andrew Fire und seinen Kollegen ist es gelungen, den Zusammenhang zwischen einem ähnlichen Phänomen und der Einführung einer Semantik nachzuweisenRNA und Antisense bilden doppelsträngige RNA. Sie war es, die als Hauptgrund für das Auftreten des beschriebenen Prozesses erkannt wurde.
Merkmale molekularer Mechanismen
Das Dicer-Protein von Giardia intestinalis wird katalysiert, indem doppelsträngige RNA geschnitten wird, um kleine interferierende RNA-Fragmente zu produzieren. Die RNAase-Domäne ist grün, die PAZ-Domäne gelb und die Bindungshelix blau.
Die Anwendung der RNA-Interferenz basiert auf exogenen und endogenen Signalwegen.
Der erste Mechanismus basiert auf dem Virusgenom oder ist das Ergebnis von Laborexperimenten. Diese RNA wird im Zytoplasma in kleine Fragmente geschnitten. Der zweite Typ entsteht bei der Expression einzelner Gene eines lebenden Organismus, beispielsweise Prä-Mikro-RNA. Es beinh altet die Schaffung spezifischer Stamm-Schleifen-Strukturen innerhalb des Zellkerns, wodurch mRNAs gebildet werden, die mit dem RISC-Komplex interagieren.
Kleine interferierende RNAs
Das sind Ketten, die aus 20-25 Nukleotiden mit Nukleotidvorsprüngen an den Enden bestehen. Jede Kette hat eine Hydroxyleinheit am 3'-Ende und eine Phosphatgruppe an der 5'-Einheit. Eine solche Struktur entsteht durch die Einwirkung des Dicer-Enzyms auf Haarnadeln, die RNA enth alten. Nach der Sp altung werden die Fragmente Teil des katalytischen Komplexes. Das Argonautenprotein wickelt den RNA-Duplex allmählich ab, was dazu beiträgt, dass nur ein "Führungs"-Strang in RISC zurückbleibt. Es ermöglicht dem Effektorkomplex, nach einer bestimmten Ziel-mRNA zu suchen. Beim BeitrittmRNA-Abbau des siRNA-RISC-Komplexes tritt auf.
Diese Moleküle hybridisieren mit einer Art von Ziel-mRNA, was zur Sp altung des Moleküls führt.
mRNA
RNA-Interferenz und Pflanzenschutz sind zusammenhängende Prozesse.
mRNA besteht aus 21-22 aufeinanderfolgenden Nukleotiden körpereigenen Ursprungs, die am Prozess der individuellen Entwicklung von Organismen beteiligt sind. Seine Gene werden transkribiert, um lange primäre Transkripte von pri-miRNA-Transkripten zu bilden. Diese Strukturen haben die Form einer Stammschleife, ihre Länge beträgt 70 Nukleotide. Sie enth alten ein Enzym mit RNase-Aktivität sowie ein Protein, das doppelsträngige RNA binden kann. Weiter findet ein Transport zum Zytoplasma statt, wo die resultierende RNA ein Substrat für das Dicer-Enzym wird. Die Verarbeitung kann je nach Zelltyp auf unterschiedliche Weise erfolgen.
So funktioniert die RNA-Interferenz. Die Anwendung des Verfahrens ist noch nicht vollständig erforscht.
Beispielsweise konnte die Möglichkeit eines anderen Weges der mRNA-Prozessierung festgestellt werden, der nicht von Diser abhängt. In diesem Fall wird das Molekül durch das Argonautenprotein geschnitten. Der Unterschied zwischen miRNA und siRNA ist die Fähigkeit, die Translation mit mehreren verschiedenen mRNAs zu hemmen, die ähnliche Aminosäuresequenzen enth alten.
RISC-Effektorkomplex
RNA-Interferenz,deren biologische Funktionen es ermöglichen, viele Probleme im Zusammenhang mit dem Proteinkomplex zu lösen, der die Sp altung von mRNA während der Interferenz sicherstellt. Der RISC-Komplex fördert die Aufteilung von ATP in mehrere Fragmente.
Mit Hilfe der Röntgenbeugungsanalyse wurde festgestellt, dass durch einen solchen Komplex der Prozess deutlich beschleunigt wird. Als katalytischer Teil gelten Argonautenproteine, die an bestimmten Stellen im Zytoplasma lokalisiert sind. Solche P-Körper stellen Bereiche mit signifikantem RNA-Abbau dar; in ihnen wurde die höchste mRNA-Aktivität nachgewiesen. Die Zerstörung solcher Komplexe geht mit einer Abnahme der Effizienz des RNA-Interferenzprozesses einher.
Methoden der Transkriptionsunterdrückung
Zusätzlich zu ihrer Wirkung auf der Ebene der Translationshemmung hat RNA auch eine Wirkung auf die Gentranskription. Einige Eukaryoten nutzen diesen Weg, um die Stabilität der Genomstruktur sicherzustellen. Dank der Modifikation von Histonen ist es möglich, die Genexpression in einem bestimmten Bereich zu reduzieren, da ein solches Stück in die Form von Heterochromatin übergeht.
RNA-Interferenz und ihre biologische Rolle ist ein wichtiges Thema, das ernsthaft untersucht und analysiert werden sollte. Zur Recherche werden diejenigen Abschnitte der Kette betrachtet, die für die Art der Paarung verantwortlich sind.
Zum Beispiel wird bei Hefe die Transkriptionsunterdrückung genau durch den RISC-Komplex durchgeführt, der das Chp1-Fragment mit der Chromodomäne Argonaut und einem Protein enthält, dasunbekannte Funktion Tas3.
Um die Bildung von Heterochromatin-Regionen zu induzieren, wird das Dicer-Enzym, die RNA-Polymerase, benötigt. Die Teilung solcher Gene führt zu einer Verletzung der Histonmethylierung, zu einer Verlangsamung der Zellteilung oder zu einem vollständigen Stopp dieses Prozesses.
RNA-Bearbeitung
Die häufigste Form dieses Prozesses bei höheren Eukaryoten ist der Prozess der Umwandlung von Adenosin in Inosin, der im Doppelstrang der RNA vorkommt. Um eine solche Transformation durchzuführen, wird das Enzym Adenosindeaminase verwendet.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde eine Hypothese aufgestellt, wonach der Mechanismus der RNA-Interferenz und die Editierung des Moleküls als konkurrierende Prozesse erkannt wurden. Säugetierstudien deuten darauf hin, dass RNA-Editierung Transgen-Silencing verhindern kann.
Unterschiede zwischen Organismen
Es liegt in der Fähigkeit, fremde RNA wahrzunehmen, diese im Zuge von Interferenzen anzuwenden. Bei Pflanzen ist dieser Effekt systemisch. Schon bei einem geringen Einschleusen von RNA wird ein bestimmtes Gen im ganzen Körper unterdrückt. Mit dieser Aktion wird das RNA-Signal zwischen anderen Zellen übertragen. An seiner Amplifikation ist die RNA-Polymerase beteiligt.
Zwischen Organismen gibt es einen Unterschied in der Verwendung fremder Gene im Prozess der RNA-Interferenz.
In Pflanzen erfolgt der siRNA-Transport durch Plasmodesmen. Die Vererbung solcher RNA-Effekte wird durch Methylierung der Promotoren bestimmter Gene sichergestellt.
Der Hauptunterschied zwischen diesem Mechanismus undPflanzen ist die Idealität ihrer mRNA-Komplementarität, die zusammen mit dem RISC-Komplex zum vollständigen Abbau dieses Moleküls beiträgt.
Biologische Funktionen
Das fragliche System ist ein wichtiger Bestandteil der Immunantwort auf Fremdstoffe. Zum Beispiel haben Pflanzen mehrere Analoga des Dicer-Proteins, die zur Bekämpfung zahlreicher viraler Organismen verwendet werden.
RNA kann als ein von Pflanzen erworbener antiviraler Abwehrmechanismus angesehen werden, der im ganzen Körper ausgelöst wird.
Trotz der Tatsache, dass viel weniger Dicer-Protein in tierischen Zellen exprimiert wird, können wir über die Beteiligung von RNA an der antiviralen Reaktion sprechen.
Derzeit sind die im Körper von Menschen und Tieren auftretenden Immunantworten teilweise untersucht worden.
Biologen forschen weiter und versuchen nicht nur, die Mechanismen ihres Auftretens zu belegen, sondern auch Wege zu finden, um Immuninteraktionen zu beeinflussen. Im Falle einer erfolgreichen Erklärung aller Nuancen der RNA-Interferenz werden Wissenschaftler in der Lage sein, diese biochemischen Reaktionen zu kontrollieren und Schutzmechanismen gegen Fremdkörper zu schaffen.
