Регуляторные молекулы РНК у бактерий: особенности и механизмы действия

      Регуляторная роль РНК была описана позднее, чем регуляторная роль белковых молекул. Сейчас накапливается всё больше информации и структуре и функции различных типов регуляторных молекул РНК. Такие молекулы описаны как у эукариот, так и у прокариот, однако, у эукариот это явление описано значительно более подробно. Впервые малые регуляторные РНК были найдены у кишечных палочек ещё в 1971 году, в том числе 4.5S, tmRNA и Spot 42, но значение их в регуляции биологических процессов было оценено значительно позже. Пока даже приблизительное количество малых РНК у бактерий не оценено точно. У кишечной палочки уже найдено порядка вариантов 100 таких молекул. О том, какие механизмы регуляции с помощью малых РНК были описаны у бактерий, будет рассказано ниже.

Малые РНК могут кодироваться участками в составе генов и межгенными спейсерами. Гены, кодирующие малые РНК могут дуплицироваться и передаваться путём горизонтального переноса. Последовательности малых РНК найдены в составе участков фагового происхождения. Такие малые РНК могут регулировать и гены  нефаговой природы. С другой стороны, возможна регуляция чужеродных генов собственными малыми РНК. Возможно, что малые РНК являются молекулами, родственными тРНК.

Малые РНК разделяют на антисмысловые, считывающиеся с цепи, комплементарной регулируемому гену, транс-регуляторные малые РНК, взаимодействующие с большим количеством разнообразных транскриптов и малые РНК, взаимодействующие с белками.

Считывающиеся с антисмысловой последовательности гена малые РНК могут опосредовать деградацию комплементарной мРНК. Одна из функций таких антисмысловых РНК – ингибиование генов токсичных белков, например, небольших гидрофобных белков, на плазмидах и хрмосомах. Биологический смысл этого процесса пока не понят до конца.

Транс-регуляторные РНК бактерий – аналоги микроРНК эукриот, но они отличаются и по длине (как правило 50–250 н.) и по структуре. Как правило, они взаимодействуют с 5′ нетранслируемой областью мишени. Участок, по которому происходит взаимодействие – 6-8 нуклеотидов располагается  легко доступных частях молекулы-мишени, в неспаренных участках мРНК, например, петлях в шпильках. В структуре регуляторной РНК сайты, взаимодействующие с мишенью, консервативны, но в молекулах мишенях они могут менять структуру и локализацию в составе гена.

Такие малые РНК, как правило, экспрессируются в ответ на изменение условий окружающей среды, участвуют в процессах адаптации, а так же запускают экспрессию генов, связанных с патогенностью у болезнетворных микроорганизмов. Например, при исследовании возбудителя псевдотуберкулёза, найдены регуляторные РНК, делеции которых приводили к подавлению патогенных свойств в модельной инфекции. Экспрессия таких регуляторных молекул зависит от температуры окружающей среды. Взаимодействие с малыми РНК часто приводит к разрушению мРНК. С другой стороны, некоторые малые регуляторные РНК также могут изменять вторичную структуру мРНК, делая её доступной для рибосом и активируя трансляцию. Один и тот же ген может регулироваться различными малыми РНК. Например, сигма-факотор S  E. coli (участвует в переходе бактерий в стационарную фазу роста) – одна из первых описанных мишеней малых РНК. В зависимости от того, какие именно неблагоприятные факторы окружающей среды воздействуют на кишечную палочку, активируются те или иные малые РНК. DsrA и RprA активируются при низкой температуре и повреждении поверхности клетки соответственно, OxyS – при окислительном стрессе, ArcZ – в анаэробных условиях.

Для взаимодействия малой РНК с мРНК в большинстве случаев достаточно единственного белка, Hfq. Этот белок взаимодействует с обеими молекулами РНК в богатых аденином и урацилом участках. Он влияет на вторичную структуру РНК, а также обеспечивает их пространственное взаимодействие. Также Hfq взаимодействует с рибосомами, и РНКазами, участвующими в разрушении мРНК. Такой механизм взаимодействия малых РНК и мРНК характерен для бактерий кишечной группы. Мутации hfq снижают патогенность различных микроорганизмов, например, возбудителей чумы и туляремии. С другой стороны, делеции этого гена не влияют на патогенность листерий или стрептококков, поскольку для Грамположительных бактерий характерны малые РНК, взаимодействующие с мРНК без участия Hfq, хотя ген, кодирующий этот белок, у Грамположительных бактерий присутствует. Возможно, в этом случае во взаимодействии молекул РНК участвует какой-либо другой белок.

Взаимодействующие с белками малые РНК более консервативны, чем взаимодействующие с мРНК. Это более крупные молекулы. Часто они имитируют структуру других нуклеиновых кислот, например ДНК. 6S является продуктом процессинга мРНК гена, функция которого пока не известна. Она участвует в переходе в стационарную фазу роста. 6S связывается с РНК-полимеразой, если в её состав входит сигма фактор 70 и ингибирует её активность. В её состав входит двуцепочечная шпилька, заканчивающаяся структурой, которая напоминает промоторную область гена. Связываясь с этой областью, РНК-полимераза уже не может сесть на какой-либо настоящий промотор. Вместо этого она синтезирует короткий транскрипт, следующий за распознанной ею как промотор областью малой РНК. tmRNA широко распространена среди бактерий, её можно найти и в органеллах эукариот.Она обладает структурными особенностями тРНК и мРНК, кодирующую небольшую последовательность, которая будет транслироваться в составе регулируемого белка. Эта белковая последовательность распознаётся протеазами и разрушается. tmRNA может участвовать в регуляции генов, ассоциированных с патогенностью, как это происходит, например, у представителей рода Yersinia.

Во многих мРНК обнаруживаются последовательности, которые могут участвовать во взаимодействии с малыми регуляторными РНК и белком Hfq, и на настоящий момент понимание роли регуляторных РНК является далеко не полным. Одной из важных практических причин внимания этим регуляторным молекулам является перспектива их использования в качестве мишеней для новых лекарственных препаратов.