1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о жизни
  4. T. 499, № 1, 2021

Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 499, № 1, стр. 287-290

ОТ ИНФОРМОСОМ К МИРУ мРНП

А. С. Воронина 1, *, Е. С. Пшенникова 1

1 Институт биохимии им. А.Н. Баха Федерального исследовательского центра “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: voronina_a@mail.ru

Поступила в редакцию 16.03.2021
После доработки 17.03.2021
Принята к публикации 17.03.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены основные этапы и достижения в изучении судьбы мРНК эукариот, начавшиеся полвека назад с открытия А.С. Спириным информосом. Результаты даже самых последних исследований подтверждают гипотезы Спирина о структуре и функции информосом, называемых теперь м-РНП. В библиографии мы приводим лишь некоторые из опубликованных работ по перечисленным направлениям. Полный перечень их слишком велик.

Ключевые слова: мРНК, РНК-связывающие белки, тяжелые информосомы, регуляция трансляции

Одним из главных достижений Александра Сергеевича Спирина является открытие РНК-белковых комплексов – информосом [1–4]. Эти работы в основном были сделаны на базе Института биохимии им. А.Н. Баха АН СССР. А.С. Спирин с сотрудниками исследовали седиментационные и плотностные характеристики РНК из экстрактов зародышей костистой рыбы вьюна (Misgurnus fossilis) и морского ежа (L. Pictus). Оказалось, что пульс-меченная РНК в таких зародышах имеет широкое седиментационное распределение и выявляется в виде комплексов, имеющих плавучую плотность в растворах CsCl, равную 1.40–1.45 г/см3, в отличие от плотности полирибосом (1.51–1.52 г/см3) или рибосом (1.55–1.56 г/см3). Надо отметить, что в те годы метод равновесного центрифугирования в градиентах плотности солей Cs применяли только для изучения структуры ДНК. Для анализа нуклеопротеидов необходимо было предотвратить диссоциацию белка от РНК в растворе соли из-за большой ионной силы. А.С. Спирин первый предложил использовать для этой цели фиксацию формальдегидом [5]. Разделяя рибонуклеопротеиды (РНП) по плавучей плотности в таких градиентах, можно было оценить относительное содержание РНК и белка. Выведя эмпирически формулу зависимости % содержания белка в РНП от их плавучей плотности в растворе CsCl, удалось определить, что в рибосомах и полирибосомах соотношение белка и РНК примерно 1 : 1, а в мРНК-содержащих частицах количество белка достигает 75–80% [3]. Эти рибонуклеопротеидные комплексы были названы информосомами [1–4]. Был сделан вывод, что мРНК информосом не участвует в трансляции и запасается для более позднего использования. Присутствие в зародышах информосом объясняло феномен периодичности морфогенетической функции ядер, описанный и изученный выдающимся российским эмбриологом А.А. Нейфахом на зародышах иглокожих, рыб и амфибий [6]. Стало ясно, что во время оогенеза и эмбриогенеза мРНК после синтеза запасается впрок, для обеспечения дальнейшего развития. Такая мРНК была названа маскированной [7, 8]. Было предположено, что белки информосом участвуют в защите мРНК от деградации РНКазами во время транспортировки и хранения, а также в регуляции времени и места синтеза белка на этих матрицах.

Размер информосом варьирует из-за гетерогенности размеров мРНК [1, 4]. Кроме того, они могут агрегировать, что увеличивает их коэффициенты седиментации без изменения плавучей плотности. Такие агрегаты стали называть тяжелыми информосомами [4, 9].

В дальнейших работах сотрудников лаборатории А.С. Спирина была обнаружена специфическая фракция свободных белков, названных РНК-связывающими из-за способности образовывать комплексы с РНК. Эти комплексы не отличались по своим седиментационным свойствам и плавучей плотности от информосом. Они названы информосомо-подобными частицами [7, 10–13].

Открытием информосом заинтересовались как отечественные, так и зарубежные ученые. Появились публикации, описывающие информосомы в клетках разных эукариот, включая животных, растения, насекомых [14–16]. В клетках HeLa, зараженных вирусом осповакцины или в клетках куриных эмбрионов, зараженных вирусом Ньюкасла, обнаружены информосомы, содержащие вирус-специфическую мРНК [17, 18]. В ядрах клеток печени крыс учеными из лаборатории Г.П. Георгиева также обнаружены новосинтезированные предшественники мРНК в частицах, имеющих плавучую плотность в CsCl 1.40 г/см3, как и информосомы [19]. Они были названы информоферами. В этих же препаратах ядер был найден и свободный РНК-связывающий белок [20]. Позднее Т. Педерсон описал в клетках HeLa гетерогенные ядерные РНП с плавучей плотностью в растворе CsCl около 1.40 г/см3, содержащие ядерную РНК [21]. При выходе мРНК из ядра в цитоплазму спектр белков, связанных с ней, изменялся. Сложные ядерные процессы, определяющие образование мРНП и экспорт их в цитоплазму, обобщены в обзоре [22].

мРНК в составе полирибосом эукариот также связана с большим количеством белков [23–25]. При активации белкового синтеза и связывании мРНК с рибосомами происходит частичная смена белкового состава мРНП.

РНК-связывающая активность эукариотических факторов инициации и элонгации, как и других белков, как-либо ассоциированных с РНК, обнаружена еще в семидесятые годы прошлого века. На основании этого А.С. Спирин выдвинул гипотезу о том, что на разных стадиях своей жизни мРНК сама несет на себе белки, требующиеся для ее биогенеза, транспорта из ядра в цитоплазму, существования во временно неактивной форме и функционирования как матрица в полисомах: Omnia mea mecum porto – все свое ношу с собой [26]. Согласно этой модели, одни белки связаны с РНК прочно, другие менее прочно, формируя облако вокруг РНК.

Дальнейшее изучение РНК-связывающих белков привело к обнаружению у них протеин-киназной активности [27, 28], способной менять сродство белков с РНК [29].

В работах лаборатории Л.П. Овчинникова, ученика Спирина, был выделен основной белок информосом из ретикулоцитов кролика [30]. Им оказался белок холодового шока YB1, функционирующий и в ядре. Этот белок связывается с РНК по всей ее длине, не зависимо от нуклеотидной последовательности. Показано, что трансляционная активность мРНК зависит от количества связавшегося с ней белка YB-1. Этот многофункциональный белок в настоящее время активно изучается [31].

Применение в молекулярной биологии методов генной инженерии, иммуноокрашивания и современной микроскопии открыло новые перспективы в изучении судьбы мРНК. С помощью центрифугирования в градиентах плотности CsCl с последующей молекулярной гибридизацией нами была изучена кинетика демаскирования и последующего повторного маскирования индивидуальных мРНК после оплодотворения яиц лягушек Xenopus laevis и Rana temporaria [32, 33]. Показано, что во время эмбриогенеза активность каждой индивидуальной мРНК подвергается специфической регуляции.

Позже термин “информосомы” был забыт и заменен на “свободные мРНП”, а для изучения мРНП центрифугирование в градиенте плотности CsCl перестали применять. Кроме того, пренебрежительное отношение к нашей науке дало о себе знать. Когда в клетках обнаруживали некие тельца, их называли по содержащимся в них белкам или их функциям, никак не ассоциируя их с информосомами. Так, были описаны и изучены P-bodies, GW-bodies, storage-частицы, нейрональные гранулы, EGP- bodies, стресс-гранулы и другие [обзор 34]. Анализ белкового состава этих телец и гранул показал, что белки эти относятся к белкам, обслуживающим мРНК и регулирующим трансляцию. Наконец, в составе этих частиц найдена была и мРНК, что указывало на то, что они и являются тяжелыми информосомами. Функции, которые осуществляют эти белки, оказались теми же, что предсказывал А.С. Спирин для белков информосом: транспорт из ядра, защита от РНК-аз (стабилизация), регуляция трансляции и регулируемый распад мРНК.

Что же известно о мРНП на сегодняшний день?

По современным представлениям, судьба конкретной мРНК в цитоплазме зависит от нуклеотидных последовательностей (цис-элементов) в ее нетранслируемых областях и связывающихся с ними белков, белковых комплексов и малых РНК (транс-факторов). Изменение спектра этих транс-факторов ведет к изменению статуса мРНК. Она может быть маскирована в виде мРНП или неактивного инициаторного комплекса, может передвигаться по клетке с помощью цитоскелета к месту будущей трансляции, заякореваться при локализации в определенном клеточном компартменте, может транслироваться в полисомах, покидать полисомы и переходить вновь в неактивное состояние, или подвергаться уничтожению. При этом время и место распада конкретных мРНК строго регулируются. Понятно, что спектр связанных с мРНК белков должен изменяться под воздействием определенных сигналов. Проводниками таких сигналов чаще всего выступают протеинкиназы, фосфорилирующие РНК-связывающие белки. Фосфорилирование изменяет константу связывания белков с РНК, что влияет на спектр белков, ассоциированных в данный момент. Не исключено, что неактивные мРНП скапливаются в местах ожидания сигнала к трансляции или транспортировке в определенный клеточный компартмент. Такое скопление способствует агрегации их в большие комплексы, даже гранулы, обнаруживаемые микроскопически. Строго говоря, все эти гранулы подходят под определение тяжелых информосом как агрегатов легких (индивидуальных) информосом. Современные работы по изучению структуры мРНП показали, что действительно, большие комплексы собираются из более мелких [35].

Что касается РНК-связывающих белков, то их уже описано более тысячи. Комбинаторика и конкуренция за места связывания и определяют многообразие влияний этих белков на судьбу мРНК [35, 36]. Количество работ о структуре и функции мРНП растет как снежной ком. Фундамент этого направления науки заложил полвека назад академик А.С. Спирин.

Список литературы

  1. Belitsina N.V., Aitkhozhin M.A., Gavrilova L.P. and Spirin A S. The messenger ribonucleic ascids of differentiating animal cells. // Biokhimia. 1964. V. 29. P. 363–374.

  2. Spirin A.S., Belitsina N.V. and Aitkhozhin M.A. Informational RNA in early embryogenesis. // Zh. Obshch. Biol. (Mosc), 1964. V. 25. P. 321–338.

  3. Spirin A.S. and Nemer M. Messenger RNA in early sea urchin embryos; cytoplasmic particles. // Science. 1965. V. 150. P. 214–217.

  4. Spirin A.S. The Second Sir Hans Krebs Lecture, Informosomes. // Eur. J. Biochem. 1969. V. 10. P. 20–35.

  5. Spirin A.S., Belitsina N.V. and Lerman M.I. Use of formaldehyde fixation for studies of ribonucleoprotein partticles by caesium chloride density-gradient centrifugation. // J. Mol. Biol. 1965. V. 14. P. 611–615.

  6. Нейфах А.А. Сравнительное радиационное исследование морфогенетической функции ядер в развитии животных. // Журнал общей биологии. 1961. Т. 22. С. 42–57.

  7. Spirin A.S. “Masked” forms of Mrna. // Cur. Top. Dev. Biol. 1966. V. 1. P. 1–38.

  8. Spirin A.S. Storage of messenger RNA in eukaryotes: envelopment with protein, translational barrier at 5’ side, or conformational masking by 3’ side? // Mol. Rep. Dev., 1994. V. 38. P. 107–117.

  9. Voronina A.S. The size of RNA within the composition of heavy informosomes from loach embryo cytoplasm // Biochemistry (Moscow). 1985. V. 50. P. 1300–1304.

  10. Овчинников Л.П., Воронина А.С., Степанов А.С., Белицина Н.В., Спирин А.С. Информосомоподобные комплексы, образуемые при добавлении РНК к гомогенатам животных клеток. // Молекулярная Биология, 1968. Т. 2. С. 601–609.

  11. Stepanov A.S., Voronina A.S., Ovchinnikov L.P., Spirin A.S. RNA-binding protein factor of animal cell extracts. // FEBS Lett. 1971. V. 18. P. 13–18.

  12. Степанов А.С., Воронина А.С. Образование стабилизированных информосомоподобных частиц при физиологических температурах. // Доклады АН СССР. 1972. Т. 203. С. 1418–1421.

  13. Elizarov S.M., Stepanov A.S., Felgenhauer P.E., Chulitskaya E.V. Involvment of RNA binding proteins in the formation of informosomes in vivo. // FEBS Lett. 1978. V. 93. P. 219–224.

  14. Kafatos F.C. Cytoplasmic particles carrying rapidly labeled RNA in developing insect epidermis // Proc Natl Acad Sci USA. 1968. V. 59. P. 1251–1258.

  15. Ajtkhozhin M.A., Doschanov Kh.J., Akhanov A.U. Informosomes as a stored form of mRNA in wheat embryos. // FEBS Lett. 1976. V. 66. P. 124–126.

  16. Preobrazhensky A.A. and Spirin A.S. Informasomes and their protein components: The present state of knowledge. // Progr. Nucl. Acids Res. Mol. Biol. 1978. V. 21. P. 1–138.

  17. Белицина Н.В., Овчинников Л.П., Спирин А.С., и др. Информосомы клеток HeLa, зараженных вирусом осповакцины. // Биохимия. 1968. Т. 33. С. 727–735.

  18. Zaslavsky V.G., Zaides V.M., Volkova M.Y., et al. Virusspecific informosome components in the extracts of newcastle disease virus infected cells. // FEBS Lett. 1971. V. 14. P. 133–136.

  19. Samarina O.P., Krichevskaya A.A., Georgiev G.P. Nuclear ribonucleoprotein particles containing messenger ribonucleic acid. // Nature. 1966. V. 25. P. 1319–1322.

  20. Voronina A.S. RNA-binding protein factor in the nuclear extract of rat liver cells. // FEBS Lett. 1973. V. 32. P. 310–312.

  21. Pederson T. Proteins associated with heterogeneous nuclear RNA in eukaryotic cells. // J. Mol. Biol. 1974. V. 83. P. 163–183.

  22. Björk P., Wieslander L. Integration of mRNP formation and export. // Cell. Mol. Life Sci. 2017. V. 74. P. 2875–2897.

  23. Perry R.P., Kelly D.E. Messenger RNA-protein complexesand newly synthesized ribosomal subunits: Analysis of free particles and components of polyribosomes. // J. Mol. Biol. 1968. V. 35. P. 37–59.

  24. Henshaw E.C. Messenger RNA in rat liver polyribosomes: Evidence that it exists as ribonucleoprotein particles. // J. Mol. Biol. 1968. V. 36. P. 401–411.

  25. Blobel G. A protein of molecular weight 78.000 bound to the polyadenylate region of eukaryotic messenger RNAs. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1973. V. 70. P. 924–928.

  26. Spirin A.S. Eukaryotic messenger RNA and informosomes: Omnia mea mecum porto. // FEBS Lett. 1978. V. 88. P. 115–117.

  27. Auerbach S., Pederson, T. Phosphorylation of messenger RNA-bound proteins in HeLa cells. // Biochem Biophys Res Commun. 1975. V. 63. P. 149–156.

  28. Stepanov A.S., Kandror K.V., Elizarov S.M. Protein kinase activity in RNA-binding proteins of amphibia oocytes // FEBS Lett. 1982. V. 141. P. 157–160.

  29. Степанов А.С., Кандрор К.В. Влияние самофосфорилирования РНК-связывающих белков на их РНК-связывающую активность. // Доклады АН СССР. 1984. T. 275. С. 1227–1230.

  30. Minikh V.B., Ovshinnikov L.P. Role of cytoplasmic mRNP proteins in translation. // Biochemistry(Moscow), 1992. V. 74. P. 477–483.

  31. Mordovkina D., Lyabin D.N., Smolin E.A., et al. Y-box binding proteins in mRNP assembly, translation, and stability control. // Biomolecules. 2020. V. 10. P. 591.

  32. Воронина А.С., Потехина Е.С. Трансляционная регуляция синтеза белков, ответственных за дорсовентральную дифференцировку зародышей шпорцевой лягушки. // Онтогенез. 1999. T. 30. С. 83–90.

  33. Voronina A.S. and Pshennikova E.S. Activity of specific mRNAs in early development of Xenopus and Rana embryos. // J. Biol. Sci. 2006. V. 6. P. 115–120.

  34. Воронина А.С., Пшенникова Е.С. мРНП: от информосом до стресс-гранул. // Молекулярная биология. 2010. T. 44. С. 1–10.

  35. Quattrone A., Dassi E. The architecture of the human RNA-binding protein regulatory network. // iScience. 2019. V. 21. P. 706–719.

  36. Eichler C.E., Hakes A.C., Hull B., Gavis E.R. Compartmentalized oskar degradation in the germ plasm safeguards germline development. // eLife. 2020. V. 9. P. 49988.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о жизни

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал