Защита от распространения транспозонов и новый механизм РНК-регуляции - комплексы Piwi-piRNA

Распознавание своего и чужого генетического материала – основа защиты генома от мобильных элементов. По крайней мере, одна такая система описана у животных – это разнообразные piRNA и белки Pivi, взаимодействующие с ними. Белки Piwi (P-element induced wimpy testis) родственны белкам, участвующим в регуляции экспрессии, осуществляемой микроРНК. Впервые они были описаны в исследовании стволовых клеток гонад Drosophila melanogaster . Вскоре был найден особый класс РНК, взаимодействующий с этими белками – piRNA. Существует множество мобильных генетических элементов, с различными механизмами функционирования, система защиты клетки должна распознавать все эти варианты. Количество piRNA в геномах животных оценивается как несколько сотен тысяч на геном. Нарушения работы этих молекул ведут к потере у стволовых клеток, участвующих в гаметогенезе, способности к делению и стерильности животных. Кроме того, материнские piRNA могут переходить в потомство и участвовать в ингибировании транспозонов в клетках эмбриона.

Транспозоны являются важным структурным элементом генома эукариот, но их избыточная активность может привести к неблагоприятным последствиям. Мобильные генетические элементы часто содержат последовательности, распознающиеся транскрипционными факторами, встраиваясь в геном они могут формировать новые промоторы и энхансеры. Попадая в кодирующую часть гена транспозоны нарушают структуру его продукта. ДНК-транспозоны вырезаются из генома, встраиваясь в другой участок, а ретротранспозоны копируются и в геном встраивается новая копия, старая же остаётся в прежнем положении. piRNA обеспечивают разрушение транскриптов мобильных генетических элементов в цитоплазме и метилирование гистонов в областях, богатых мобильными генетическими элементами. Эти процессы осуществляются разнообразными белками, взаимодействующими с piRNA, которые, в свою очередь, определяют специфичность воздействия за счёт механизма комплементарности, в том числе и неполной.

Последовательности зрелых piRNA существенно различаются даже у близких видов. Однако некоторые черты могут быть очень консервативными, например как у D. melanogaster, так и позвоночных они имеют длину 26-30 оснований, Зрелые молекулы образуются из более длинных предшественников. 5′ конец их богат урацилом, а 3′ - остатками сахаров, метилированных в положении 2′-O. У C. elegans молекулы piRNA короче, но структура их 5′ и 3′ концов является сходной. Консервативных механизмов биогенеза этих молекул пока не найдено, наоборот, имеющиеся сведения свидетельствуют об обратном. Однако помимо обычного пути биогенеза, так или иначе включающего транскрипцию и созревание, найден ещё один путь, обеспечивающий накопление piRNA. Он связан с тем, что фрагменты РНК, расщеплённой белками Piwi тоже могут вступать во взаимодействие с белками этого семейства и функционировать как piRNA. 90% последовательностей, кодирующих piRNA консолидированы в крупных регионах генома, от нескольких тысяч до сотен тысяч пар оснований размером. Кластеры piRNA локализуются на границе герерохроматина и эухроматина, они привлекают белки, поддерживающие хроматин в состоянии, открытом для мобильных генетических элементов и белки, задействованные в транскрипции. По крайней мере, часть piRNA происходят из мобильных генетических элементов, встраивающихся в кластеры, более того, то, что транспозоны часто встраиваются рядом с уже встроенными в геном – возможная причина скопления их в участках, формирующих кластеры piRNA. В геноме  Drosophila найдено 142 потенциальных кластеров piRNA, то есть ориентировочно 5% генетичекого материала.

Организованы кластеры piRNA могут быть по-разному. Хорошо изученный кластер Drosophila, flamenco находится в области центромеры хромосомы X, он содержит фрагментарные последовательности генетических элементов. У него, вероятно, единственная регуляторная область и он считывается единым транскриптом более 100 тысяч оснований, piRNA созревают в цитоплазме и возвращаются в ядро в составе белковых комплексов. Белковые комплексы модифицируют гистоны в участках, содержащих мобильные элементы. В половых клетках созревание  piRNA идёт иначе, они считываются с обеих цепей, в цитоплазме идёт расщепление транскриптов мобильных элементов и накопление новых piRNA за счёт этого процесса. Расположение последовательностей, кодирующих piRNA в активных локусах, в данном случае, разнонаправленное и они не могут считываться в виде одного транскрипта.

piRNA, найденные у нематод Caenorhabditis elegans имеют особую структуру, поэтому их ещё называют 21U-RNA. Они короче, чем у других животных, и содержат всего 21 основание. Более 16,000 piRNA найдено у C. elegans , каждая кодируется последовательностью под промотором особой структуры. В геноме нематод найдено два кластера, кодирующих 21U-RNA.

Как уже было сказано, с участием piRNA осуществляется несколько механизмов подавления активности транспозонов. Собственно, ведущие к этому реакции реализуются не нуклеиновыми кислотами, а связанными с ними белками семейства Piwi. В геноме  D. melanogaster  найдено три гена, продукты которых являются белками этого семейства. Белок Piwi находится в ядрах половых и соматических клеток яичника, а белки Ago3 и Aub - в электроноплотных участках цитоплазмы половых клеток. Эти белки связываются с piRNA различных типов: Piwi и Aub взаимодействуют с теми, которые имеют последовательность антисмысловую транспозону и 5′ уридиновую пследовательность, а Ago3 – с piRNA, которые имеют такую же последовательность как транспозоны и не имеют последовательности, обогащённой урацилом, на 5′ конце. Piwi участвует в метилировании гистона H3, связывающегося с ДНК в областях, богатых мобильными элементами. Aub-ассоциированные piRNA участвуют в распознавании транспозона с последующим внесением разрыва в положении 10-11 piRNA. Образующиеся молекулы тоже функционируют как piRNA.

Три белка Piwi найдено у мыши, установлено их влияние на мужскую, но не на женскую фертильность. Они также участвуют в эмбриогенезе и формировании половых желез. MILI взаимодействует с piRNA длиной 26 – 27 нуклеотидов, MIWI2 с piRNA 28 нуклеотидов и более, а MIWI с крупными молекулами более 30 нуклеотидов. Разные piRNA и разные белки функционируют в различные этапы мейоза, происходящего при сперматогенезе. piRNAs пре-пахитены берут начало от мобильных элементов. Они взаимодействуют с MILI and MIWI2. piRNA пахитены считываются с межгенных участков и взаимодействуют с MILI и MIWI. MIWI, и MIWI2 участвуют в метилировании ДНК, и, возможно, в расщеплении транскриптов. piRNA пахитены вовлечены, прежде всего, в процессы деаденилирования мРНК с последующей деградацией, существенно сокращая количество мРНК в сперматидах.

piRNA наиболее активно экспрессируются в клетках предшественниках гамет, однако, и в соматических клетках у piRNA есть определённые функции. Например, у млекопитающих piRNA активны также в коре головного мозга и гематопэтических тканях. Есть данные, что комплексы  Piwi-piRNA вовлечены в механизмы долговременной памяти у моллюска Aplysia (морского зайца). Механизмом определения полярности эмбриона у плодовых мушек тоже связан с процессом деградации мРНК, опосредованной piRNA. Каков результат работы piRNA в соматических тканях организма, предстоит, в многом, ещё понять.