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结构生物化学/核酸/RNA/RNA 干扰 (RNAi) 的结构洞察

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介绍

RNA 干扰 (RNAi) 是调节真核生物基因表达的小型 RNA 分子。这首先从产生约 20-30 个核苷酸 RNA 序列(microRNA (miRNA) 或小干扰 RNA (siRNA))开始,这些序列有可能与 mRNA 的部分形成碱基配对。然后,miRNA 和 siRNA 组装成大型多蛋白效应器,这些效应器是与蛋白质结合并改变其活性的分子,称为 RNA 诱导的沉默复合体 (RISC),它们与靶转录本结合并启动其降解。

miRNA 和 siRNA 最初是在细胞核中以长茎环结构的形式产生的,通过双链 DNA 的核酸内切酶加工而成。miRNA 被 DGCR8 识别,DGCR8 是一种将 RNA 输出到 RNase III 家族核酸内切酶 Drosha 以进行初始双链切割的蛋白质。切割后,前 miRNA 在细胞质中由称为 Dicer 的第二个 RNase III 家族核酸内切酶切割,由核输出蛋白 5 介导。siRNA 最终由 Dicer 介导的长双链 RNA 切割产生,导致双链体包含反义引导链和正义或乘客链。

由于其 RNA 双链体的特定长度,以及特征性的磷酸基携带的 5' 端和其 3' 端的二核苷酸突出,miRNA 和 siRNA 有效地掺入其他 RISC 复合体中。对原核生物 RNase III 和真核生物 Dicer 酶的结构分析表明这些 siRNA 和 miRNA 的关键特征是如何产生的。Argonaute (Ago) 是 RISC 的核心成分,它使 miRNA 和 siRNA 能够附着在 RISC 上,并帮助触发某些转录本的降解。引导链将 miRNA 和 siRNA 带到 Ago,然后降解/解离 miRNA 和 siRNA 的乘客链。附着后,RISC 使用小 RNA 的序列作为向导来确定哪些特定序列要抑制其翻译或诱导其降解。具体而言,RISC 靶向与小 RNA 序列互补的 RNA 序列。这个过程通过 RITS(RNA 诱导的转录沉默复合体)进一步修饰,RITS 通过促进异染色质形成来介导转录基因沉默。与 Piwi 相互作用的 RNA(piRNA)也参与了这个过程。

与 Piwi 相互作用的 RNA (piRNA)

与 Piwi 相互作用的 RNA 或 piRNA 是一类在真核细胞中表达的小型 RNA。piRNA 的功能是支持种系发育,尽管最近的研究表明它可能扩展到体细胞卵巢组织。它还有助于直接沉默基因。

与 miRNA 和 siRNA 一样,piRNA 是非编码 RNA 分子的组成部分。然而,它们的生物合成途径不同于 miRNA 和 siRNA。

piRNA 经历了一种称为“乒乓”机制的扩增途径。初级 piRNA 最有可能由长单链 RNA 的转录产生,它们在识别其互补靶标后招募 piwi 蛋白。然后,转录本从 5' 端切割 10 个核苷酸,产生在第 10 位靶向腺嘌呤的次级 piRNA。

RISC 加载

为了提高效率,成熟的 miRNA 和 siRNA 双链体必须从 Dicer 切割蛋白转移到 Argonaute,以形成活性 RISC。此过程所需的组件是与 dsRBP 辅因子 TRBP 和成熟 siRNA 双链体复合的 Dicer。

虽然 siRNA 如何从 Dicer 转移到 Argonaute 的确切过程尚不清楚,但可以肯定的是,此过程涉及引导链的选择和乘客链的去除。然而,最近,通过对人类 RISC 加载复合体 (RLC) 及其成分进行负染色电子显微镜分析,为有关 siRNA 双链体在 RISC 加载过程中如何从 Dicer-TRBP 传递到 Ago2 的想法提供了结构框架。这些分析表明,TRBP 与 Dicer 的解旋酶结构域灵活地相互作用,并且 Ago2 通过在 TRBP 和 Dicer 之间延伸形成闭合的颗粒复合体。利用之前的生化研究,这种 Ago2-Dicer 相互作用被认为发生在 Ago2 的催化 PIWI 结构域和 Dicer 的 RNase IIIa 结构域之间。

RNA 沉默机制

加载 RISC 复合体后,Ago-引导链复合体现在可以与它的靶 mRNA 结合。这通过引导链与 mRNA 的 3' 非翻译区(称为 UTR)中的序列的碱基配对而发生。只有当存在完全的引导链-靶链互补性时,siRNA 通过 Ago 的核酸内切酶“切割器”活性进行 RNA 沉默的常见机制才启动靶链切割。Ago 蛋白家族中可以与 RISC 复合体的引导链结合的两个独特结构域:PAZ 结构域和 RNase H 样 PIWI 结构域。PAZ 结构域与引导链的 3' 端结合,RNase H 样 PIWI 结构域包含切割活性位点。一小部分 Ago 蛋白还包含一个 MID 结构域。MID 结构域通过与保守残基和 Mg2+ 离子广泛的氢键形成引导链的 5' 磷酸盐的结合口袋。

参考文献

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  • Doudna, Dipali (2010)。“结构生物学现状”。RNA 干扰的结构洞察 (20 版)。第 90–97 页。
  • Kornberg,Roger D. (2010-07)。“小 RNA 通路的生化原理”。生物化学年度评论。年度评论。第 295–319 页。 {{cite book}}: 检查日期值:|date= (帮助)
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