Срок годности

мРНК — это длинная нить, и поэтому «срок годности» может обеспечиваться каким-то особенным участком этой нити.

В каком-то смысле, у хромосом тоже есть «срок годности». Вспомните, что он из себя представляет и по какому механизму работает.

У каждой зрелой матричной РНК есть «бикфордов шнур» — длинная (порядка 250 нуклеотидов) некодирующая последовательность, пришитая к 3'-концу молекулы. Поскольку эта последовательность состоит исключительно из адениновых остатков, то называется поли-А-хвостом (poly-A tail). Чем дольше живет мРНК, тем сильнее укорачивается этот хвост и тем печальнее перспективы для мРНК: она всё реже дает начало новым белкам и всё с большей вероятностью попадает в лапы молекул, занимающихся уничтожением РНК. В конце концов длина хвоста становится «несовместима с жизнью», и мРНК подвергается деградации.

Рис. 1. Помимо кодирующей белок последовательности, в мРНК входит также большое количество дополнительных, некодирующих, областей, которые выполняют некоторые вспомогательные функции — например, защищают мРНК от деградации

Каков же механизм, по которому длинный поли-А-хвост обеспечивает безоблачную жизнь молекуле мРНК? Он прост и изящен, как всё гениальное.

Еще в ядре, когда к свежесинтезированной мРНК только-только пришивается полиадениновый хвост, на него сразу же налипает белок под названием PABP (см. Poly(A)-binding protein). На этом этапе данный белок служит чем-то вроде «транспортного средства», поскольку он обеспечивает ядерный экспорт, и только связанная с ним мРНК может покинуть ядро и уплыть в цитоплазму. Таким образом, полиадениновый хвост является для мРНК еще и «билетом в жизнь», без которого эта молекула будет бесцельно плавать в ядре, пока не подвергнется деградации.

Когда мРНК оказывается в цитоплазме, к PABP присоединяется еще несколько белков, которые стабилизируют структуру мРНК, из-за чего она становится неуязвима для ферментов, обеспечивающих ее деградацию. Кроме того, эти белки также увеличивают сродство мРНК к рибосоме, из-за чего трансляция белка происходит гораздо быстрее. То есть перед нами еще одна важная функция поли-А-хвоста: его наличие значительно увеличивает итоговый выход белка.

Однако когда мРНК находится в цитоплазме, мимо нее то и дело проплывают молекулы особого фермента по имени PARN, которые постепенно откусывают от полиаденинового хвоста по кусочку. Чем короче он становится, тем тяжелее PABP с ним связаться и тем больше вероятность, что PABP и весь связанный с ним белковый комплекс отвалится и оставит мРНК один на один с ферментами, обеспечивающими ее уничтожение. В конце концов это происходит, и жизненный путь мРНК заканчивается.

Есть и еще одна важная и остроумная функция у полиаденинового хвоста. Состоит она в следующем.

Как известно, для того, чтобы синтез белка прекратился, рибосома должна дойти до стоп-кодона. Однако допустим, что при синтезе белка произошла какая-то ошибка — например, сдвинулась рамка считывания либо мРНК изначально содержала мутацию. В этом случае рибосома пройдет мимо стоп-кодона и будет синтезировать белок дальше — то есть возьмется за тот самый полиадениновый хвост. Этот хвост, как нетрудно догадаться, будет содержать только один вид триплетов — AAA. Этот триплет кодирует аминокислоту лизин. В результате у свежесинтезированного белка образуется длинный лизиновый хвост. Хвост этот нарушает правильную структуру белка и легко распознается системой уничтожения неправильных белков. Поэтому содержащий такой хвост белок подвергается деградации очень быстро — еще до того, как успеет чем-то навредить клетке.

Кроме того, поли-А-хвост играет еще одну немаловажную роль. Дело в том, что этот хвост пришивается только к определенному участку молекулы мРНК, содержащему AAUAAA-последовательность. Однако если таких последовательностей на одной мРНК несколько, то возникает возможность альтернативного полиаденилирования — то есть у двух одинаковых молекул хвост может быть пришит к разным местам. Таким образом, один и тот же ген может дать начало разным белкам.

И наконец, нужно добавить, что существуют исключительные случаи, в которых полиадениновый хвост может пришиваться к мРНК прямо в цитоплазме. Во-первых, это возможно в зародышевых клетках — благодаря такой уловке цитоплазматические мРНК в них могут «затаиться» в неиспорченном состоянии в ожидании того, что клетка наконец будет оплодотворена. А кроме того, цитоплазматическое полиаденилирование существует в постсинаптических участках нервных клеток — это явление связывают с процессами памяти. Предполагается, что благодаря «неубиваемости» некоторых мРНК определенные белки после прохождения импульса существуют в этих участках значительно дольше, и благодаря им облегчается прохождение следующего импульса через тот же синапс, что и приводит к запоминанию.

Ну и напоследок надо добавить, что если для эукариотических мРНК полиадениновый хвост — это что-то вроде «доспехов», которые защищают от смерти, то для прокариотических РНК, а также некоторых некодирующих РНК эукариотов полиадениновый хвост становится «черной меткой», которая, наоборот, обеспечивает этим молекулам деградацию.

Пришивание полиаденинового хвоста — отнюдь не единственное приключение, которое происходит с юным мРНК-транскриптом сразу после «рождения». Дело в том, что «новорожденная», свежесинтезированная мРНК еще совершенно не способна правильно выполнять свою функцию — то есть служить основой для синтеза белка. И для того, чтобы «повзрослеть», ей нужно пройти длинный путь, несколько этапов созревания.

Кэп

Во-первых, на 5'-конец мРНК надевается специальная «шапочка», или кэп (от англ. «cap»). Ведь цитоплазма, в которой мРНК предстоит работать, так и кишит ферментами экзонуклеазами, которые откусывают по нуклеотиду от концов проплывающих мимо нуклеиновых кислот. Поэтому концы мРНК нужно защищать от этих «хищников», иначе, кусочек за кусочком, они съедят ее всю. На 3'-конце, как уже говорилось, у мРНК болтается поли-А-хвост, который до определенного времени служит защитой от экзонуклеаз. А для 5'-конца придумана специальная «обманка», которая не позволяет экзонуклеазам сделать свое черное дело.

Рис. 2. 5'-кэп зрелой мРНК защищает 5'-конец мРНК от деградации из-за своей особой структуры, которая не распознается экзонуклеазами

Экзонуклеазы способны распознать только «классические» нуклеотиды, соединенные друг с другом «классической» связью, и только их они могут откусывать. А 5'-кэп представляет собой модифицированный нуклеотид гуанин, который к тому же присоединен к остальной мРНК необычным способом — через три остатка рибозы. В результате экзонуклеазы «не видят» 5'-конец мРНК, и она может спокойно и счастливо существовать в клетке — до тех пор, конечно, пока кэп у нее не отрежут.

Декэпирование же (то есть отстригание кэпа специальным белковым комплексом) — вещь, случающаяся — увы! — сплошь и рядом. Например, декэпируются «ленивые» мРНК, которые недостаточно интенсивно транслируются, и мРНК со слишком коротким поли-А-хвостом. Кроме того, массовое декэпирование (так сказать, аутодафе) может быть следствием печальных для клетки событий, вроде вирусного заражения или хронического голодания.

Кроме защиты мРНК от экзонуклеаз, кэп также выполняет несколько других важных функций.

Во-первых, он, как и поли-А-хвост, способствует экспорту мРНК из ядра в цитоплазму.

Во-вторых, он обеспечивает трансляцию мРНК.

И, наконец, в-третьих, он каким-то (пока не до конца выясненным) способом способствует вырезанию ближнего к нему интрона.

А о том, что такое интроны, вы, если еще не знали, узнаете прямо сейчас.

Интроны

Только-только синтезированная нить мРНК (так называемый «сырой транскрипт»), помимо полезных участков, на основе которых будут синтезироваться белки (такие участки называются «экзоны»), содержит еще некоторое количество «мусора», который при созревании мРНК будет вырезан и уничтожен (эти участки называются «интроны»).

Казалось, бы существование интронов противоречит здравому смыслу: зачем нужны участки, которые всё равно будут вырезаны? Однако смысл в этом есть, и очень большой. Дело в том, что в разных условиях из одного и того же «сырого» мРНК-транскрипта вырезаются разные интроны. В результате этот транскрипт может дать начало нескольким разным мРНК. Таким образом, во-первых, повышается приспособляемость клетки к окружающим условиям, а во-вторых, экономится место на ДНК.

И прочее

Кроме этого, мРНК в процессе созревания подвергается и некоторым другим изменениям. В том числе, происходит редактирование мРНК путем вставления или удаления отдельных участков. Также некоторые нуклеотиды, входящие в мРНК, модифицируются, в результате чего, например, эта молекула становится менее уязвима для уничтожающих ее ферментов.