Деградосома

Деградосо́ма[1] (англ. degradosome) — мультибелковый бактериальный комплекс, который участвует в процессинге рибосомальной РНК и деградации матричной РНК, регулируется некодирующими РНК. Он состоит из РНК-хеликазы B, рибонуклеазы Е (РНКазы Е), полинуклеотидфосфорилазы^[англ.], а также гликолитического фермента енолазы[2]. Деградосому можно изучать с помощью электронной микроскопии[3].

Пул РНК в клетке постоянно меняется. Например, у Escherichia coli срок жизни мРНК составляет от 2 до 25 минут, у других бактерий он может быть больше. Даже в клетках, находящихся в состоянии покоя, РНК постоянно разрушается, и свободные нуклеотиды, образовавшиеся при этом, в дальнейшем используются в синтезе нуклеиновых кислот. Кругооборот РНК чрезвычайно важен для регуляции экспрессии генов. мРНК бактерий крайне нестабильны по сравнению с мРНК эукариот. Это может быть связано с тем, что бактериям приходится быстрее репрограммировать свой пул мРНК (а следовательно, и белков) в ответ на быстро меняющиеся условия окружающей среды[1].

В клетках всех организмов имеются специальные инструменты для деградации РНК, например, РНКазы, хеликазы, 3'-концевые нуклеотидилтрансферазы^[англ.], которые добавляют нуклеотидные хвосты к транскриптам, 5'-кэпирующие и декэпирующие ферменты, а также разнообразные РНК-связывающие белки^[англ.]. Часто перечисленные белки собираются в стабильные мультибелковые комплексы, в которых их активность скоординирована. У эукариот таким комплексом является экзосома, а у бактерий — деградосома.

Структура

Модель структуры деградосомы. Хотя структура на данной схеме представлена симметричной, в действительности она динамична

У E. coli масса деградосом составляет от 160 до 400 кДа, а константа седиментации — 8—16 S[1]. Деградосома достаточно крупна, чтобы быть различимой в электронный микроскоп рядом с внутренней мембраной бактерии[4]. Состав мультибелковой деградосомы может варьировать от организма к организму. У E. coli в состав деградосомы входят четыре основных компонента:

• РНКаза Е. Это большая гидролитическая эндорибонуклеаза, в которой можно выделить N-концевую часть, содержащую каталитический домен, и неструктурированную C-концевую часть, функции которой неизвестны, но, по-видимому, она необходима для сборки деградосомы. С-концевая часть РНКазы Е очень гибкая, что обеспечивает возможность взаимодействия для различных компонентов деградосомы. У E. coli РНКаза Е находится в цитоплазматической мембране, и за ней можно наблюдать с помощью флуоресцентного микроскопа. В состав РНКазы Е входят 1061 аминокислотных остатка, а масса этого белка составляет 118 кДа[5].
• Полинуклеотидфосфорилаза (англ. Polynucleotide phosphorylase, PNPase). Это фосфоролитическая экзорибонуклеаза, разрушающая РНК. В состав этого белка входят 421 аминокислотных остатка, а его масса составляет 47 кДа. Она при помощи неорганического фосфата отщепляет от 3'-конца транскрипта по одному нуклеозиддифосфатному остатку[1].
• Енолаза: гликолитический фермент из 432 аминокислотных остатков, массой 46 кДа.
• РНК-хеликаза (RhlB) из 711 аминокислотных остатков, массой 77 кДа. Идентификация этого DEAD-бокс^[англ.]-содержащего белка в деградосоме E. coli была одним из первых свидетельств того, что РНК-хеликазы могут участвовать в деградации мРНК[6]. За счёт энергии АТФ этот фермент расплетает дуплексы в РНК[1].

Возможно, в состав деградосом входит РНКаза III, расщепляющая двухцепочечные участки РНК[1]. Также в состав деградосомы могут входить шапероны GroEL^[англ.] и DnaK^[англ.][1].

С деградосомой тесно связана полифосфаткиназа^[англ.] (хотя она и не входит в состав деградосомы). Этот фермент образует АТФ для работы хеликазы согласно уравнению (Ф)_n + АДФ → (Ф)_n−1 + АТФ[7].

Имеются различные варианты деградосом, содержащие разные белки. Дополнительными компонентами деградосомы могут быть PcnB (поли(А)-полимераза^[англ.]) и РНК-хеликазы RhlE и SrmB. В условиях холодового шока^[англ.] в состав деградосомы может входить РНК-хеликаза CsdA. В стационарной фазе в состав деградосомы могут входить такие дополнительные компоненты, как РНКаза R (Rnr) и предполагаемая РНК-хеликаза HrpA. Кроме того, в число белков деградосомы может входить РНК-шаперон Hfq^[англ.], простатическая кислая фосфатаза^[англ.] (PAP), другие шапероны, а также рибосомные белки^[англ.][8].

Структура деградосомы E. coli в точности неизвестна, хотя существует модель её работы. Предполагается, что структура деградосомы нестабильна, и каждый её компонент взаимодействует с другими компонентами, находящимися в непосредственной его близости[6].

Функции

Деградосома — это большой мультиферментный комплекс, участвующий в метаболизме РНК и посттранскрипционной регуляции экспрессии генов у разнообразных бактерий, в числе которых Escherichia coli и Pseudoalteromonas haloplanktis^[англ.]. Он задействован в процессинге структурированных предшественников РНК в ходе их созревания[9][10].

Предполагается, что РНК-хеликаза играет вспомогательную роль в разрушении РНК, расплетая вторичные структуры РНК. Иногда вместе с деградосомами выделяется рРНК, подтверждая, что эти комплексы участвуют в деградации рРНК и мРНК. О роли деградосомы информации очень мало. При исследовании деградации транскриптов E. coli было показано, что первыми в ход вступают эндорибонуклеазы, которые надрезают РНК, с тем чтобы экзонуклеазы закончили разрушение получаемых фрагментов. РНК-хеликаза RhIB сама по себе малоактивна, но взаимодействие с РНКазой Е может усиливать её[11]. Роль енолазы в процессе разрушения РНК пока непонятна, но, возможно, она увеличивает специфичность комплекса[12][13]. Известно, однако, что енолаза в составе деградосомы необходима для быстрого разрушения мРНК глюкозного транспортёра в ответ на фосфосахарный стресс у E. coli[14].

Активация

Активация деградосомы происходит под действием некодирующих РНК, соответствующих микроРНК эукариот. Существует два пути для направления РНК на разрушение: связывание с участком инициации трансляции или с кодирующей последовательностью^[англ.]. Для связывания некодирующей РНК с мРНК-мишенью необходим шаперон Hfq. Прикрепившийся комплекс Hfq и некодирующей РНК не даёт рибосоме связаться с транскриптом и активирует нуклеазы (РНКазу Е) для его разрушения. При связывании с кодирующей последовательностью комплекс не даёт рибосоме двигаться дальше, запуская процесс разрушения[9].

Разрушение РНК

Процесс разрушения РНК

Процесс разрушения РНК очень сложен. В качестве примера рассмотрим наиболее изученное разрушение — мРНК деградосомой Escherichia coli. В разрушении мРНК участвуют как эндо-, так и экзонуклеазы. Фермены РНКаза II^[англ.] и полинуклеотидфосфорилаза (ПНФаза) разрушают мРНК в направлении 3' → 5'. В деградосоме можно выделить 4 компартмента, содержащие несколько РНКаз. С самого начала новосинтезированная мРНК содержит полифосфат. Поэтому первой стадией разрушения мРНК является дефосфорилирование^[англ.] с образованием монофосфата под действием РНК-пирофосфогидролазы. В транскрипте, помимо фосфатного конца (Р-конца), имеется концевая шпилька. Р-конец разрезается эндорибонуклеазой РНКазой Е, а шпилька устраняется РНК-хеликазами. Если в транскрипте имеются дополнительные вторичные структуры, то для упрощения работы экзорибонуклеаз (например, ПНФазы) необходимо действие полимеразы РАР. Наконец, отдельные фрагменты расщепляются олигорибонуклеазами. У других микроорганизмов процесс происходит схожим образом, хотя ферментный состав комплекса может отличаться. Например, у Bacillus subtilis в качестве эндорибонуклеазы вместо РНКазы Е используются РНКазы Y или J, а у архей РНК разрушается экзосомами[9].

Эволюция

Хотя структура деградосомы динамична, её состав вариабелен, а в некоторых лабораторных условиях деградосома и вовсе не нужна, она, тем не менее, сохранилась в ходе эволюции, возможно, из-за того, что она участвует во многих процессах, регулирующих экспрессию генов. Экспериментально было продемонстрировано, что у E. coli наличие экзосомы является селективным преимуществом. Гомологи белков деградосомы E. coli прослеживаются во всех доменах жизни[9]. Стоит, однако, отметить, что у E. coli процесс разрушения РНК не может идти в направлении 5' → 3'. На 5'-конце мРНК E. coli нет кэпа, а экзонуклеазы, работающие в направлении 5' → 3', неизвестны. Похожая ситуация имеет место и у других бактерий, поэтому разрушение транскриптов 5' → 3' может быть уникальной чертой эукариотических клеток[11].

См. также

• Экзосома (комплекс)
• Протеасома

Примечания

1. Пиневич, 2006, с. 214.
2. Carpousis A. J. The Escherichia coli RNA degradosome: structure, function and relationship in other ribonucleolytic multienzyme complexes. (англ.) // Biochemical Society transactions. — 2002. — Vol. 30, no. 2. — P. 150—155. — PMID 12035760. [исправить]
3. Liou G. G., Jane W. N., Cohen S. N., Lin N. S., Lin-Chao S. RNA degradosomes exist in vivo in Escherichia coli as multicomponent complexes associated with the cytoplasmic membrane via the N-terminal region of ribonuclease E. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2001. — Vol. 98, no. 1. — P. 63—68. — doi:10.1073/pnas.011535498. — PMID 11134527. [исправить]
4. The Degradosome, a Multiprotein Complex for RNA Degradation  (неопр.). Дата обращения: 3 августа 2017. Архивировано из оригинала 3 августа 2017 года.
5. Bandyra K. J., Bouvier M., Carpousis A. J., Luisi B. F. The social fabric of the RNA degradosome. (англ.) // Biochimica et biophysica acta. — 2013. — Vol. 1829, no. 6-7. — P. 514—522. — doi:10.1016/j.bbagrm.2013.02.011. — PMID 23459248. [исправить]
6. Carpousis A. J. The RNA degradosome of Escherichia coli: an mRNA-degrading machine assembled on RNase E. (англ.) // Annual review of microbiology. — 2007. — Vol. 61. — P. 71—87. — doi:10.1146/annurev.micro.61.080706.093440. — PMID 17447862. [исправить]
7. Пиневич, 2006, с. 215.
8. EcoGene. EcoGene  (неопр.). www.ecogene.org. Дата обращения: 19 октября 2016. Архивировано из оригинала 20 октября 2016 года.
9. Górna Maria W., Carpousis Agamemnon J., Luisi Ben F. From conformational chaos to robust regulation: the structure and function of the multi-enzyme RNA degradosome // Quarterly Reviews of Biophysics. — 2011. — 14 декабря (т. 45, № 02). — С. 105—145. — ISSN 0033-5835. — doi:10.1017/S003358351100014X. [исправить]
10. Aït-Bara S., Carpousis A. J. Characterization of the RNA degradosome of Pseudoalteromonas haloplanktis: conservation of the RNase E-RhlB interaction in the gammaproteobacteria. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2010. — Vol. 192, no. 20. — P. 5413—5423. — doi:10.1128/JB.00592-10. — PMID 20729366. [исправить]
11. Carpousis A. J. The Escherichia coli RNA degradosome: structure, function and relationship to other ribonucleolytic multienyzme complexes // Biochemical Society Transactions. — 2001. — 1 апреля (т. 30, № 2). — С. 150. — ISSN 0300-5127. — doi:10.1042/0300-5127:0300150. [исправить]
12. Brown, Terry. Genomas/ Genome (исп.). — Ed. Médica Panamericana, 2008. — ISBN 9789500614481.
13. Garcia-Mena, Jaime. Polinucleótido fosforilasa: una joya de las ribonucleasas  (неопр.). ResearchGate. Дата обращения: 18 октября 2016. Архивировано 22 октября 2016 года.
14. Morita T., Kawamoto H., Mizota T., Inada T., Aiba H. Enolase in the RNA degradosome plays a crucial role in the rapid decay of glucose transporter mRNA in the response to phosphosugar stress in Escherichia coli. (англ.) // Molecular microbiology. — 2004. — Vol. 54, no. 4. — P. 1063—1075. — doi:10.1111/j.1365-2958.2004.04329.x. — PMID 15522087. [исправить]

Литература

• Пиневич А. В. Микробиология. Биология прокариотов: в 3 т. — СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2006. — Т. I. — 352 с. — ISBN 5-288-04057-5.