Якщо спадковість неоптимальна редагування транскриптомів та геномів Олексій

Якщо спадковість неоптимальна: редагування транскриптомів та геномів Олексій Болдирєв Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця «Моя наука» evolution@science. ua

Постулати сучасної біології • Центральна догма молекулярної біології • Принцип комплементарності нуклеїнових кислот • Матеріалом для еволюції є мутації, що незалежні від середовища • Мутації викликані випадковими факторами

Як продукуються білки

Співвідошення між ДНК і РНК Thomas Shafee [CC BY 4. 0]

1986 Major transcript of the frameshifted cox. II gene from trypanosome mitochondria contains four nucleotides that are not encoded in the DNA Rob Benne, Janny Van Den Burg, Just P. J. Brakenhoff, Paul Sloof, Jacques H. Van Boom, Marijke C. Tromp

Механізм редагування РНК у кінетопластид

Механізм редагування РНК у кінетопластид

1987: заміна С на U

1991: заміна А на І AMPA-глутаматний рецептор

Редагування РНК – спрямована зміна окремих нуклеотидів у РНК після (чи під час) транскрипції Редагування РНК – посттранскрипційна модифікація РНК, яка не є сплайсингом, ані кепуванням, ані поліаденилюванням, ані деградацією (хоча є й інші варіанти модифікацій )

Типи редагування РНК Вставки нуклеотидів Заміна нуклеотидів А на І (дезамінування аденіну) Делеції нуклеотидів С на U (дезамінування цитозину) G на A, U на C та інш.

Едитосома у кінетопластид спряжена з трансляцією

А Physarum polycephalum вставляє цитидини. . .

Еволюція дезаміназ

Редагування т. РНК Основа в антикодоні Основа в м. РНК A U C G G C (або U) U A (або G) I A або C або U

Аденозиндезамінази евкаріот (ADAR)

Основні мішені ADAR

Letters to Nature 406, 78 -81 (6 July 2000) | doi: 10. 1038/35017558; Received 10 March 2000; Accepted 22 May 2000 Point mutation in an AMPA receptor gene rescues lethality in mice deficient in the RNA-editing enzyme ADAR 2 Miyoko Higuchi 1, Stefan Maas 1, 2, 3, Frank N. Single 1, 2, Jochen Hartner 1, Andrei Rozov 4, Nail Burnashev 4, Dirk Feldmeyer 4, Rolf Sprengel 1 & Peter H. Seeburg 1

РНКр при патології

Людина: Alu повтори 60 млн років тому з’явились у геномі приматів Близько 300 пар основ 10, 7% генома людини 70 -80% гомології – консервативність вища за інших ссавців

А на І C на U 1 заміна на транскрипт А на І 3 заміни на транскрипт C на U А на І 5 замін на транскрипт C на U

Людина особлива?

РНК може редагуватися по-різному • Схожі умови створюють схожі форми без змін у ДНК Functional complexity and regulation through RNA dynamics Elizabeth A. Dethoff, Jeetender Chugh, Anthony M. Mustoe & Hashim M. Al-Hashimi Nature 482, 322– 330 (16 February 2012) doi: 10. 1038/nature 10885

Редагування ДНК • Гомологи AID наявні у всіх хребетних включно з рибами, а також у безщелепних • Ген APOBEC 1 – з дуплікації гену AID, є у всіх ссавців включно із сумчастими. • Локус APOBEC 3 з'явився лише у плацентарних; з двох копій у гризунів і парнокопитних утворився один ген, у непарнокопитних, хижих, кажанів і

Гени родини APOBEC у людини AID 12 p 13 5 B-лімфоцити, сім'яники Дезамінування ДНК, гени імуноглобулінів Дезамінування м. РНК аполіпопротеїну B, дезамінування ДНК APOBEC 1 12 p 13. 1 5 Тонкий кишечник (у інших ссавців — кишечник) APOBEC 2 6 p 21 3 Скелетні м'язи, серце Бере участь в ембріогенезі м'язів, мішені невідомі APOBEC 3 A 22 q 13. 1 5 Кератиноцити, клітини крові Дезамінування ДНК аденоасоційованих вірусів, ретротранспозонів. Дезамінування ДНК ретровірусів, вірусу гепатиту B APOBEC 3 B 22 q 13. 1 8 Кишечник, матка, молочна залоза, кератиноцити та інші APOBEC 3 C 22 q 13. 1 4 У багатьох тканинах Дезамінування ДНК ретровірусів, вірусу гепатиту B, ретротранспозонів APOBEC 3 DE 22 q 13. 1 7 Щитоподібна залоза, селезінка, лейкоцити Дезамінування ДНК ретровірусів APOBEC 3 F 22 q 13. 1 8 У багатьох тканинах APOBEC 3 G 22 q 13. 1 8 APOBEC 3 H 22 q 13. 1 5 APOBEC 4 1 q 25. 3 2 У багатьох тканинах, Тлімфоцитах Лейкоцити, тимус, щитоподібна залоза, плацента Сім'яники Дезамінування ДНК ретровірусів, вірусу гепатиту B, ретротранспозонів Дезамінування ДНК ретровірусів Невідомі

Супермутагенез у лімфоцитах: AID

Дезамінування цитозину в геномі людини (2016)

Редактори РНК та ДНК Код ДНК не гарантує амінокислотної послідовністі білка: з’являються стоп-кодони, заміняються амінокислоти Змінюють сплайсинг, експресію білків та комплементарність Активно змінюють послідовність білка у відповідь на зміни середовища Змінюють спадковість та впливають на еволюцію

Дякую за увагу! СПОДІВАЮСЬ, УСІМ БУЛО ЦІКАВО!

Література Molecular diversity through RNA editing: a balancing act Sanaz Farajollahi and Stefan Maas Trends in Genetics Vol. 26 No. 5 (2010) RNA editing: a driving force for adaptive evolution? Willemijn M. Gommans, Sean P. Mullen, Stefan Maas Bioessays. 2009 October ; 31(10): 1137– 1145. Is abundant A-to-I RNA editing primate-specific? Eli Eisenberg, Sergey Nemzer, Yaron Kinar, Rotem Sorek, Gideon Rechavi and Erez Y. Levanon TRENDS in Genetics Vol. 21 No. 2 (2005) БІЛЬШЕ ПОСИЛАНЬ: http: //uk. wikipedia. org/wiki/Редагування_РНК

Про науку зрозумілою мовою my. science. ua facebook. com/Science. UA

12 -13 листопада dni-nauky. in. ua

Кількість сайтів редагування в екзонах (2015) • 115 сайтів ADAR 53 сайти ADAR • 645 сайтів ADAR • у нервовій системі – 60% білків!

ADAR у різних тварин

Редагування С на U Blanc V , Davidson N O J. Biol. Chem. 2003; 278: 1395 -1398 C-to-U RNA editing of apolipoprotein B. The model for an ∼ 35 -nucleotide region of apo. B RNA flanking the edited base (asterisk) is shown. © 2003 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Гени й ознаки

Один ген – один фермент Люсьєн Кено, миші (1903) Бідл і Тейтум, нейроспора (1941)

• Від 27, 462 до 153, 478 генів у людини (CSH 2001) • 22, 333 – можливо. Але ніхто не знає точно (біоінформатик Steven Salzberg, октябрь 2010) 55 000 – 2 000 білків

Терміновий апдейт! Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19, 000 human protein-coding genes Iakes Ezkurdia, David Juan, Jose Manuel Rodriguez, Adam Frankish, Mark Diekhans, Jennifer Harrow, Jesus Vazquez, Alfonso Valencia, Michael L. Tress Hum. Mol. Genet. June 16, 2014 doi: 10. 1093/hmg/ddu 309

Як ДНК виробляє білки

Альтернативний сплайсинг • • 1977 – аденовіруси 1981 – кальцитонін 1981 – антитіла 2000 – "рекордсмен" сплайсингу - Dscam, до 38, 016 варіантів

Механізм сплайсингу

Іонні канали

Іонотропні рецептори

Калієвий канал Kv 1. 1 ізолейцин валін

Редагування РНК у нервовій системі Описані випадки редагування в екзонах, які змінюють функцію білка Glu. R 2 (Gria 2, AMPA 2) Q/R R/G Глутаматний AMPA-рецептор з іонним каналом мозок Glu. R 3 R/G Глутаматний AMPA-рецептор з іонним каналом мозок Glu. R 4 R/G Глутаматний AMPA-рецептор з іонним каналом мозок Q/R Глутаматний каїнатний рецептор з іонним каналом мозок Непроникність каналу для кальцію Q/R I/V Y/C Глутаматний каїнатний рецептор з іонним каналом мозок Зміна проникності для іонів I/V Потенціал-залежний калієвий канал мозок Уповільнена інактивація каналу Gabra 3 K/E Рецептор ГАМК з іонним каналом мозок, кишечник Зміна спорідненості до ГАМК 5 HT 2 c. R I/V, I/M, N/S, N/D Серотоніновий рецептор N/G I/V мозок Змінене зв'язування із серотоніном, змінений транспорт рецептора IGFBP 7 K/R R/G Glu. R 5 (Grik 1) Glu. R 6 (Grik 2) KCNA 1 Інсуліновий рецептор, регуляція росту мозок, глія й міграції клітин гліоми Непроникність каналу для кальцію Прискорене відновлення після десенсетизації змінює зв'язування з гепарином

Редагування РНК у нервовій системі KCNMA 1 S/G Кальційзалежний калієвий канал великої провідності KIF 20 B K/R Кінезиновий білок, транспорт по мікротрубках, цитокінез GANAB Q/R Глюкозидаза, відрізає N-зв'язані глікани від білків ? OS 9 E/G Глікопротеїн системи деградації, пов'язаної з ретикулумом ? STRN 4 (стріатин, зінедин) R/G ? всюди ? Білок цитоскелету, кальмодулін-зв'язуючий білок, передача сигналу в нейронах нейрони ? BIN 1 K/R (амфіфізин II) Пухлинний супресор, кардіоміопатія мозок ? SS 18 L 1 S/G Кальційзалежний активатор транскрипції, необхідний для нейрони кори нормального росту й галуження дендритів у нейронах кори головного мозку ? CADPS E/G Кальційзалежний активатор секреції й екзоцитозу щільних везикул ? ATXN 7 (атаксин 7) K/R Субодиниця ацетил-трансферази гістонів мозок ? Elavl 2 I/V Нейрон-специфічний РНК-зв'язуючий білок, N/D диференціація нейронів і синаптична пластичність нейрони ?

У Редактора РНК нема нічого святого! • Код ДНК не гарантує амінокислотної послідовністі білка: з’являються стоп-кодони, заміняються амінокислоти • Сплайсинг відбувається «як прийдеться» : нові сайти виникають, старі зникають • т. РНК, яка створює «не ті» білки • «Сміттєва ДНК» активно використовується для роботи еволюційно просунутих видів (людина й примати) і органів (тимус, мозок) И все це впорядковано працює в організмі, а порушення всіх цих процесів призводить до ВЕЛИКИХ неприємностей!!!!