Участие тРНК в синтезе биомолекул и регуляторных процессах.

тРНК состоят из 73–90 нуклеозидов и имеют характерную структуру клеверного листа, включающую D-петлю, T петлю, вариабельную петлю и петлю антикодона. Эта вторичная структура складывается в трёхмерную третичную структуру, в которой сближаются петли T и D. Наиболее изученной функцией тРНК является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка и встраивание их в растущую белковую цепь. Будучи в комплексе с аминокислотой, тРНК взаимодействуют с кодонами мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Однако оказалось, что это только часть функций тРНК. Связанные с аминокислотами тРНК участвуют в нерибосомном синтезе пептидов, посттрансляционной модификации белков, модификации фосфолипидов мембран и синтезе антибиотиков. Как в комплексе с аминокислотой, так и без аминокислотного остатка, эти молекулы  выполняют регуляторную функцию, управляя метаболизмом и программируемой гибелью клеток.

Итак, помимо встраивания аминокислот в белковую цепь при синтезе белка на рибосомах, тРНК могут участвовать в других биохимических реакциях. Нерибосомный синтез пептидных цепей, точно так же как и рибосомный, вовлекает тРНК. В состав клеточной стенки бактерий входит пептидогликан – вещество достаточно сложной структуры, включающее, в том числе, аминокислотную цепь. Цепи пептидогликана сшиваются между собой короткими пептидами, в формировании которых участвуют тРНК. У S. aureus описаны особые тРНК, вовлечённые в этот процесс и не участвующие в трансляции. Катионные антимикробные пептиды, выделяемые эукариотами, и бактериоцины прокариот воздействуют на отрицательно заряженные липиды мембран бактерий, дестабилизируя их. Присоединение к таким липидам лизина или аланина делает бактерии устойчивыми к подобному воздействию. В этом случае аминокислота также снимается с молекулы тРНК. тРНК, связанные с аминокислотами, участвуют в синтезе противоопухолевого антибиотика ванкомицина, циклодипептидов и пацидамицинов.

Присоединённые к различным молекулам аминокислотные остатки могут иметь не только структурную, но и регуляторную функцию. С тРНК переносится аминокислота, служащая сигналом направления белка на деградацию путём последующего мечения убиквитином – дегрон (это название аминокислотного остатка с функциональной точки зрения). Ферменты, осуществляющие данный процесс конкурируют с системой синтеза белка за доступ к тРНК.

тРНК, не связанные с аминокислотами, участвуют в регуляции метаболизма в ответ на недостаток аминокислот. Не несущие аминокислот тРНК аккумулируются на рибосомах в сайте А и блокируют трансляцию. У грамположительных бактерий экспрессия аминоацил-тРНК синтазы и систем биосинтеза аминокислот регулируется назагруженными тРНК, стабилизирующими открытое для полноценной транскрипции оперонов состояние ДНК при недостатке аминокислот. Они могут взаимодействовать с 5′-UTR нетранслируемыми областями генов, и в связанном с аминокислотами состоянии, однако при этом полноценный транскрипт не считывается. У эукариот незагруженные тРНК возвращаются из цитоплазмы в ядро и активируют сигнальные пути, запуская ответ на аминокислотное голодание. У дрожжей при недостатке глюкозы мРНК образуют скопления в цитоплазме, а тРНК возвращаются в ядро. При различных причинах голодания механизмы транспорта тРНК могут быть различными. Даже в нормальных условиях тРНК мигрируют в ядро, но их выраженного накопления не происходит. тРНК могут возвращаться из ядра в цитоплазму при выходе из аминокислотного голодания, при этом связывание с аминокислотами может происходить и в ядре, и этот процесс стимулирует реэкспорт.

Более 15% нуклеозидов в составе тРНК дрожжей это не аденозин, цитозин, гуанозин или уридин, а нуклеозиды с модифицированными основаниями. У человека модификаций тРНК ещё больше, поскольку модификации тРНК более характерны для высокоорганизованных организмов. Чаще всего модификации тРНК происходят в антикодоне и шпильке. Они обеспечивают распознавание тРНК в клетке, точность кодон-антикодонного взаимодействия и стабильность молекулы. В модификации тРНК и малых некодирующих РНК могут принимать участие одни и те же белки, хотя большинство белков, модифицирующих тРНК специфично именно к данной группе молекул. Наиболее распространённая модификация – встраивание квеуозина. У прокариот его синтез происходит при созревании тРНК, повторно он не используется и выбрасывается в окружающую среду. Эукариоты получают его из пищи или от микрофлоры, сами синтезировать это соединение они не могут. Квеуозин встраивается вместо гуанина в первую позицию антикодона тРНК семейства Q (His, Asn, Asp и Tyr). Присутствие квеуозина влияет на специфичность тРНК: тРНК^His_(G34) более склонна к взаимодействию с кодоном CAC , а тРНК^His_(Q34) – с кодоном CAU. Квеуозин и Q-тРНК участвуют в регуляции гликолиза в зависимости от доступности кислорода, в частности, снижая активность лактатдегидрогеназ. Анаэробный метаболизм характерен для опухолевых клеток и интенсивно делящихся клеток, даже в присутствии доступного кислорода, так что данное воздействие обладает противоопухолевым эффектом. С другой стороны, в злокачественных клетках встраивания квеуозина часто не происходит. Его потеря связана со степенью злокачественности опухоли и её метастазированием. Возможной причиной является высокое содержание метилированных пуринов в раковых клетках, что блокирует фермент, необходимый для модификации тРНК.

Дезаминирование аденозина с образованием инозина в антикодоне изменяет специфичность тРНК, поскольку инозин может взаимодействовать с урацилом, цитозином и аденином. Такие модификации могут участвовать в защите от воздействия антибиотиков, влияющих на трансляцию. Изменение профиля модификаций тРНК при окислительном стрессе ведёт к трансляционному перепрограммированию. Метилирование tRNA^Leu_CAA в положении 5 при окислительном стрессе повышает её специфичность к кодону, увеличивая выход белка. При утрате этого регуляторного механизма клетки становятся более восприимчивыми к окислительному стрессу.

Регуляторную функцию могут выполнять не только целые молекулы тРНК, но и их фрагменты. Зрелая тРНК расщепляется надвое в области антикодона при голодании и стрессе, полученные таким путём молекулы блокируют синтез белка. Фрагменты тРНК, тРФ размером 13-20 нуклеозидов, образуются из разных участков зрелой молекулы. 3′ и 5′ фрагменты различных тРК могут функционировать как малые интерферирующие РНК, вызывая разрушение мРНК. Они также взаимодействуют с белками Argonaute, за счёт чего не только участвуют в сайлинсинге генов, но и могут регулировать работу системы всех малых ргуляторных РНК, функционирование которых осуществляется ч участием белков данной группы.

При апоптозе, запускающемуся по внутреннему пути, мембраны митохондрий становятся проницаемыми, и из них выходит цитохром C, компонент электрон-транспортной цепи. Он участвует в активации каспаз – протеаз, осуществляющих разрушение белков при апоптозе. тРНК связываются с цитохромом C, блокируя его способность активировать апоптоз. Фрагменты тРНК, напротив, запускают механизмы ответа на окислительный стресс.

Отмечено, что содержание тРНК повышено в опухолевых клетках, причём особенно выражено повышение концентрации тРНК^Arg(UCU), тРНК^Arg(CCU), тРНК^{Thr (CGU)}, тРНК^Ser(CGA) и тРНК^Tyr(GTA) , в то время как концентрация тРНК^His(GTG), тРНК^{Phe (GAA)} и тРНК^Met(CAT) изменяется не так сильно. Эта неравномерность наводит на мысль, о том, что в основе изменений лежат специфичные процессы. Понимание того, как регулируется работа тРНК и какие функции могут выполнять эти молекулы не только позволит больше узнать о том, что именно происходит в живой клетке, но и лучше охарактеризовать патогенез различных заболеваний, в том числе – онкологических.