Метилирование РНК и эпитранскриптом - ещё одна ступень в регуляции биологических процессов

Метил-6 аденозин (m⁶A) – модификация аденозина в составе РНК, существование которой было предсказано ещё в 1970-е годы, но настоящие исследования в этой области появились только в последнее время. Метилирование - одна из наиболее распространённых модификаций РНК, а их описано более сотни, правда, в основном для тРНК и рРНК. Данной модификации могут подвергаться практически любые РНК – рибосомные, транспортные, матричные, микроРНК, малые и длинные некодирующие РНК. Помимо аденозина, метилированы могут быть и другие основания РНК, однако, в 80% случаев это именно аденозин. Метилирование РНК найдено практически у всех организмов, включая вирусы. Участки, где находят m⁶A являются высококонсервативными. Даже у таких различных организмов как дрожжи и кишечные палочки, принадлежащих к разным доменам, модификации рибосомных РНК происходят в их функционально схожих регионах. При анализе содержания метилированного аденозина в различных тканях млекопитающих оказалось, что он чаще всего присутствует в РНК мозга, печени и почек, а реже всего – в сердце и лёгких. В исследованиях на дрожжах было показано, что профиль метилирования может меняться под влиянием тех или иных внешних стимулов. 

Лучше всего изучено метилирование мРНК. Его чаще всего находят в экзонах и 3′-некодирующей области транскрипта, присутствуют сайты метилирования и в области начала транскрипции. Также высокое содержание m⁶A выявляют у стоп-кодонов. Некоторое количество m⁶A выявляется, однако и в интронах и других некодирующих областях. В поли-А хвосте мРНК метилирования, напротив, не происходит. Метилирование можно обнаружить как в зрелых, так и в незрелых транскриптах, то есть оно может происходить до сплайсинга РНК, в том числе и в интронах, а также до полиаденилирования. Не все мРНК имеют сайты метилирования – например их не найдено в мРНК гистонов и глобинов. В мРНК пролактина сайт метилирования всего один, а в мРНК дегидрофолат редуктазы – три.

Метилирование может выполнять ряд функций, относительно чего есть различные предположения, подкреплённые экспериментальным данными. Метилирование РНК делает её более стабильной. Вовлечено оно и в регуляцию экспрессии мРНК, а метилирование вирусных РНК также делает репликацию вируса более эффективной. Метилирование может принимать участие в терминации трансляции. Поскольку метилирование находят в мРНК ещё до её созревания, было предположено, что оно участвует в регуляции сплайсинга, как влияя на связывание с белками, необходимыми для этого процесса, так и блокируя взаимодействие аденозина и урацила, важное для вырезания интрона. 3′-нетранслируемый регион мРНК, одна из наиболее подверженных метилированию частей транскрипта, отвечает за его стабильность, локализацию в клетке и трансляцию за счёт взаимодействия с белками, которое может быть специфичным к метилированию. Присутствие m⁶A может влиять на вторичную структуру РНК, что тоже изменяет её сродство к белкам. m⁶A блокирует так называемое редактирование РНК – превращение аденозина в инозин, который функционально соответствует гуанозину при трансляции и формировани вторичной структуры РНК. 67% сайтов метилирования в нетранслируемых последовательностях расположены рядом с участками, где происходит взаимодействие с микроРНК, что указывает, на возможное вовлечение метилирования в регуляцию этого процесса. Таким образом, уже то немногое, что известно о значении метилирования мРНК, показывает, что участие этой модификации в регуляции функционирования мРНК может определяться разнообразными механизмами.

Метилирование происходит в консервативном регионе, имеющем структуру RRACH (R = G или A; H = A, C или U), но оно может, вероятно, происходить и в других сайтах, которые пока не описаны. Мотив, по которому чаще всего происходит метилирование мРНК - [AG]ACU. В рРНК, тРНК и малых некодирующих РНК метилироваие происходит в других сайтах, например в малой некодирующей РНК U6 для метилирования необходима правильная укладка шпильки и петли на 3′ конце. Прсоединение метиловой группы к аденозину это результат скоординированного действия метилаз, деметилаз и белков, сродство которых к РНК обусловлено её метилированием. За процесс метилирования аденозина отвечают несколько различных метилтрансфераз, в частности, наиболее описанная из них метилаза METTL3. METTL3 локализуется в ядре, прежде всего – в областях, насыщенных белками, отвечающими за созревание мРНК. Два домена отвечают за работу METTL3 – это домен, связывающийся с белком Adomet и, собственно, домен, отвечающий за осуществление реакции метилирования. Уровень транскрипции гена METTL3 зависит от уровня Adomet, который, в свою очередь, связан с доступностью метионина. Возможно, для работы METTL3 нужны какие-либо ещё дополнительные факторы. В клетке существуют и белки, способные снимать метилирование аденозина - деметилазы, наиболее изученным из них является FTO, описан также и белок ALKBH5, вероятно, существует и ряд других белков с подобной функцией.

Совокупность модификаций мРНК названа эпитранскриптом. Структура эпитранскриптома меняется в ходе развития тканей и органов, при изменении внешних условий, в стволовых и опухолевых клетках. Метилирование РНК участвует в регуляции эмбриогенеза, в частности – развития мозга. Содержание метиладенозина и активность метилрансфераз повышена в раковых клетках. В силу того, что знания об этом уровне регуляции биологических процессов только накапливаются, никаких конкретных маркеров, связанных, например, с теми или иными заболеваниями в эпитранскриптоме пока не найдено, хотя, несомненно, они должны там быть. Однако уже установлено, что некоторые варианты деметилазы FTO могут быть связаны с повышенным риском ожирения, а так же с болезнью Альцгеймера (это разные варианты). Изменения активности этого белка обнаружены и в раковых клетках.