อาร์เอ็นเอส่งสาร
กรดไรโบนิวคลีอิกส่งสาร(mRNA) เป็นโมเลกุล RNAสายเดี่ยวที่สอดคล้องกับลำดับพันธุกรรมของยีนและถูกอ่านโดยไรโบโซมในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน[ 1 ] [ 2 ]
mRNA ถูกสร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการถอดรหัสโดยเอนไซม์ ( RNA polymerase ) จะแปลงยีนให้เป็น mRNA ต้นฉบับ (หรือที่เรียกว่าpre-mRNA ) [ 3 ] [ 4 ] pre-mRNA นี้มักจะยังคงมีอินทรอนซึ่งเป็นบริเวณที่ไม่เข้ารหัสลำดับกรดอะมิโน สุดท้าย อินทร อนเหล่านี้จะถูกกำจัดออกไปในกระบวนการตัดต่อ RNAเหลือเพียงเอ็กซอนซึ่งเป็นบริเวณที่จะเข้ารหัสโปรตีน[ 5 ] [ 6 ]ลำดับเอ็กซอนนี้ประกอบเป็นmRNA ที่สมบูรณ์จากนั้นไรโบโซมจะอ่าน mRNA ที่สมบูรณ์ และไรโบโซมจะสร้างโปรตีนโดยใช้กรดอะมิโน ที่ ขนส่งโดยtRNA กระบวนการนี้เรียกว่าการแปล [ 1 ] กระบวนการทั้งหมดเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของหลักการพื้นฐานของชีววิทยาโมเลกุลซึ่งอธิบายถึงการไหลของข้อมูลทางพันธุกรรมในระบบชีวภาพ[ 7 ]
เช่นเดียวกับในDNAข้อมูลทางพันธุกรรมใน mRNA บรรจุอยู่ในลำดับของนิวคลีโอไทด์ซึ่งเรียงตัวเป็นโคดอน ที่ ประกอบด้วยไรโบนิวคลีโอไทด์ 3 ตัวโคดอนแต่ละตัวจะเข้ารหัสกรดอะมิโน ที่เฉพาะเจาะจง ยกเว้นโคดอนหยุดซึ่งยุติการสังเคราะห์โปรตีน[ 1 ]การแปลโคดอนเป็นกรดอะมิโนต้องใช้ RNA อีก 2 ชนิด ได้แก่ RNA ถ่ายโอน ซึ่งจดจำโคดอนและให้กรดอะมิโนที่สอดคล้องกัน และRNA ไรโบโซม (rRNA) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องจักรการผลิตโปรตีนของไรโบโซม[ 1 ]
แนวคิดเรื่อง mRNA เกิดขึ้นครั้งแรกโดยซิดนีย์ เบรนเนอร์และฟรานซิส คริกในปี 1960 ระหว่างการสนทนากับฟรองซัวส์ จาคอบ [ 8 ] ใน เดือนพฤษภาคมปี 1961 มีการศึกษาลักษณะเฉพาะของ messenger RNA ในเชิงทดลองในบทความ Natureสองฉบับติดต่อกัน: ฉบับหนึ่งโดยเบรนเนอร์ จาคอบ และเมเซลสัน และอีกฉบับโดยกรอสและเพื่อนร่วมงาน (รวมถึงวัตสัน) [ 9 ] [ 10 ]ขณะวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อเตรียมการตีพิมพ์ จาคอบและฌาคส์ โมโนด์ ได้บัญญัติศัพท์คำว่า "messenger RNA" [ 11 ]
สังเคราะห์
โมเลกุล mRNA มีอายุสั้น เริ่มต้นด้วยการถอดรหัส และสุดท้ายก็สลายตัวไป ในช่วงชีวิตของมัน โมเลกุล mRNA อาจได้รับการประมวลผล แก้ไข และขนส่งก่อนการแปล[ 5 ] [ 6 ]โมเลกุล mRNA ของยูคาริโอตมักต้องการการประมวลผลและการขนส่งอย่างกว้างขวาง ในขณะที่โมเลกุล mRNA ของโปรคาริโอตไม่ต้องการ[ 5 ] [ 12 ]โมเลกุล mRNA ของยูคาริโอตและโปรตีนที่อยู่รอบๆ เรียกรวมกันว่าmessenger RNP [ 13 ]
การถอดเสียง
การถอดรหัสเป็นกระบวนการที่ข้อมูลทางพันธุกรรมที่เก็บไว้ใน DNA ถูกคัดลอกไปยัง RNA โดยเอนไซม์RNA polymerase [ 3 ] ในระหว่างการถอดรหัส RNA polymerase จะจับกับลำดับโปรโมเตอร์บน DNA และสังเคราะห์สาย RNA เสริม (mRNA) จากแม่แบบ DNA [ 4 ] [ 3 ]
กระบวนการนี้แตกต่างกันระหว่างโปรคาริโอตและยูคาริโอต ในโปรคาริโอต การถอดรหัสเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม[ 4 ]เนื่องจากโปรคาริโอตไม่มีนิวเคลียสที่มีเยื่อหุ้ม ไรโบโซมจึงสามารถเกาะติดกับสาย mRNA ที่เกิดขึ้นใหม่และเริ่มการแปลในขณะที่การถอดรหัสยังคงดำเนินอยู่[ 12 ]
ในยูคาริโอต การถอดรหัสเกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของเซลล์[ 6 ]ผลิตภัณฑ์เริ่มต้นของการถอดรหัสไม่ใช่ mRNA ที่ใช้งานได้ แต่เรียกว่าmRNA ต้นแบบหรือpre-mRNA [ 5 ] pre -mRNA นี้ต้องผ่านกระบวนการอย่างละเอียด (รวมถึงการเติมหมวก 5' การตัดต่อเพื่อกำจัดอินทรอนที่ไม่เข้ารหัส และการเติมโพลีอะดีนีนที่ 3') เพื่อให้กลายเป็น mRNA ที่สมบูรณ์ [ 5 ] [ 6 ] เมื่อผ่านกระบวนการแล้ว mRNA ที่สมบูรณ์จะถูกส่งออกจากนิวเคลียสไปยังไซโตพลาสม์เพื่อการแปล[ 6 ]
การแทนที่ไทมีนด้วยยูราซิล
ในขณะที่ DNA ประกอบด้วยไทมีน (T) RNA ประกอบด้วยยูราซิล (U) [ 14 ]ในระหว่างกระบวนการถอดรหัส เอนไซม์ RNA polymerase จะรวมยูราซิลเข้ากับเบสอะดีนีนที่อยู่บนสายแม่แบบ DNA ดังนั้น RNA ที่ได้จึงมียูราซิลในตำแหน่งที่สาย DNA ที่เข้ารหัสมีไทมีน[ 14 ] [ 3 ]
ในเชิงโครงสร้าง คู่เบสยูราซิล-อะดีนีน (U–A) มีลักษณะคล้ายกับคู่เบสไทมีน-อะดีนีน (T–A) อย่างมาก ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลทางพันธุกรรมที่บรรจุอยู่ในลำดับนั้นจะถูกเก็บรักษาไว้อย่างถูกต้อง[ 3 ]
คำอธิบายที่อ้างถึงบ่อยครั้งเกี่ยวกับการมีอยู่ของไทมีนใน DNA เกี่ยวข้องกับความจำเป็นในการบำรุงรักษาจีโนม เนื่องจากไซโตซีนสามารถสลายตัวเป็นยูราซิลได้เอง ระบบซ่อมแซม DNA จึงจดจำยูราซิลว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของความเสียหาย การใช้ไทมีนเป็นเบสมาตรฐานช่วยให้เซลล์สามารถแยกแยะเบสที่ถูกต้องออกจากข้อผิดพลาดได้ จึงทำให้ยูราซิลยังคงเป็นสัญญาณเฉพาะสำหรับการซ่อมแซม[ 15 ]
กระบวนการประมวลผลพรีเอ็มอาร์เอ็นเอในยูคาริโอต
กระบวนการประมวลผล mRNA แตกต่างกันอย่างมากในยูคาริโอตแบคทีเรียและอาร์เคีย [ 5 ] [ 3 ] mRNAที่ไม่ใช่ยูคาริโอตโดยพื้นฐานแล้วจะสมบูรณ์เมื่อถอดรหัสและไม่ต้องการการประมวลผล ยกเว้นในกรณีที่หายาก[ 16 ]อย่างไรก็ตาม pre-mRNA ของยูคาริโอตต้องการขั้นตอนการประมวลผลหลายขั้นตอนก่อนที่จะถูกขนส่งไปยังไซโตพลาสซึมและแปลโดยไรโบโซม
การต่อเชื่อม
กระบวนการประมวลผลอย่างกว้างขวางของพรีเอ็มอาร์เอ็นเอของยูคาริโอตที่นำไปสู่เอ็มอาร์เอ็นเอที่สมบูรณ์คือการตัดต่ออาร์เอ็นเอซึ่งเป็นกลไกที่อินทรอนหรือเอาทรอน (บริเวณที่ไม่เข้ารหัส) ถูกกำจัดออกไปและเอ็กซอน (บริเวณที่เข้ารหัส) ถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน[ 17 ] [ 18 ]
ส่วนต่อเติมฝาครอบ 5 ฟุต
แคป 5' (เรียกอีกอย่างว่า แคป RNA, แคป RNA 7-เมทิลกัวโนซีนหรือแคป RNA m 7 G) คือนิวคลีโอไทด์กัวนีนที่ดัดแปลงซึ่งถูกเพิ่มเข้าไปที่ "ด้านหน้า" หรือปลาย 5'ของเมสเซนเจอร์ RNA ของยูคาริโอตหลังจากเริ่มการถอดรหัสไม่นาน แคป 5' ประกอบด้วยสารตกค้าง 7-เมทิลกัวโนซีนที่ปลายสุดซึ่งเชื่อมต่อผ่านพันธะไตรฟอสเฟต 5'-5' กับนิวคลีโอไทด์ที่ถอดรหัสตัวแรก การมีอยู่ของมันมีความสำคัญต่อการจดจำโดยไรโบโซมและการป้องกันจากRNase [ 19 ]
การเติมแคปจะเชื่อมโยงกับการถอดรหัส และเกิดขึ้นพร้อมกับการถอดรหัส โดยแต่ละส่วนจะมีอิทธิพลต่อกันและกัน ไม่นานหลังจากเริ่มการถอดรหัส ปลาย 5' ของ mRNA ที่กำลังสังเคราะห์จะถูกจับโดยคอมเพล็กซ์สังเคราะห์แคปที่เกี่ยวข้องกับRNA polymeraseคอมเพล็กซ์เอนไซม์นี้จะเร่ง ปฏิกิริยาเคมีที่จำเป็นสำหรับการสร้างแคปของ mRNA การสังเคราะห์ดำเนินไปเป็น ปฏิกิริยาชีวเคมีหลายขั้นตอน[ 20 ]
การแก้ไข
ในบางกรณี โมเลกุล mRNA จะถูกแก้ไขซึ่งจะเปลี่ยนองค์ประกอบนิวคลีโอไทด์ของทรานสคริปต์ ตัวอย่างที่โดดเด่นในมนุษย์คือ mRNA ของ อะโพลิโปโปรตีน Bในเนื้อเยื่อบางชนิด การแก้ไข RNA ของทรานสคริปต์นี้จะสร้างรหัสหยุดก่อนกำหนด ซึ่งส่งผลให้เกิดโปรตีนรูปแบบที่สั้นกว่า กลไกอีกอย่างหนึ่งที่ได้รับการศึกษาอย่างดีคือการแก้ไข A-to-I (อะดีโนซีนเป็นอิโนซีน) ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ ADAR (อะดีโนซีนดีอะมีเนสที่ออกฤทธิ์ต่อ RNA) และโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นภายในบริเวณ RNA สองสาย การแก้ไข A-to-I อาจเกิดขึ้นได้ทั้งในลำดับการเข้ารหัสและบริเวณที่ไม่ได้แปล ผ่านการดัดแปลงเหล่านี้ กระบวนการนี้สามารถส่งผลต่อการเข้ารหัสโปรตีนใหม่ โครงสร้าง RNA และการควบคุมยีน[ 21 ]
โพลีอะดีนิเลชัน
การเติมหมู่โพลีอะดีนิล (Polyadenylation) คือการเชื่อมต่อแบบโควาเลนต์ของหมู่โพลีอะดีนิลกับโมเลกุลของอาร์เอ็นเอส่งสาร (messenger RNA) ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต โมเลกุลของอาร์เอ็นเอส่งสาร (mRNA) ส่วนใหญ่จะถูกเติมหมู่โพลีอะดีนิลที่ปลาย 3' แต่การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสายยูริดีนสั้นๆ (โอลิกูริดีเลชัน) ก็พบได้ทั่วไปเช่นกัน[ 22 ] หางโพลี(A)และโปรตีนที่จับกับมันช่วยปกป้อง mRNA จากการย่อยสลายโดยเอ็กโซนิวคลีเอส การเติมหมู่โพลีอะดีนิลยังมีความสำคัญต่อการยุติการถอดรหัส การส่งออก mRNA จากนิวเคลียส และการแปล[ 5 ] [ 6 ] mRNA ยังสามารถถูกเติมหมู่โพลีอะดีนิลในสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตได้ โดยที่หางโพลี(A) ทำหน้าที่อำนวยความสะดวกมากกว่าที่จะขัดขวางการย่อยสลายโดยเอ็กโซนิวคลีเอส[ 23 ]
การเติมโพลีอะดีนีนเกิดขึ้นระหว่างและ/หรือทันทีหลังจากการถอดรหัส DNA เป็น RNA [ 5 ]หลังจากสิ้นสุดการถอดรหัสแล้ว สาย mRNA จะถูกตัดผ่านการทำงานของเอนไซม์เอนโดนิวคลีเอสที่เกี่ยวข้องกับ RNA โพลีเมอเรส หลังจากที่ mRNA ถูกตัดแล้ว จะมีการเพิ่มอะดีโนซีนประมาณ 200–250 หน่วยเข้าไปที่ปลาย 3' ที่ตำแหน่งการตัด ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยโพลีอะดีนีเลตโพลีเมอเรส [ 5 ] [ 3 ] เช่นเดียวกับการสไปลซิงแบบทางเลือกอาจมีโพลีอะดีนีเลชันมากกว่าหนึ่งรูปแบบของ mRNA
การกลายพันธุ์ของตำแหน่งโพลีอะดีนิเลชันสามารถเกิดขึ้นได้ RNA ทรานสคริปต์หลักของยีนจะถูกตัดที่ตำแหน่งการเพิ่มโพลี(A) และอะดีโนซีนประมาณ 150–250 ตัวจะถูกเพิ่มเข้าไปที่ปลาย 3′ ของ RNA เป็นหางโพลี(A) [ 24 ]หากตำแหน่งนี้เปลี่ยนแปลง การตัดและโพลีอะดีนิเลชันอาจเลื่อนไปยังตำแหน่งโพลี(A) ที่อยู่ถัดไป ทำให้เกิด mRNA ที่ยาวผิดปกติและไม่เสถียร[ 25 ]
ขนส่ง
ความแตกต่างอีกประการหนึ่งระหว่างยูคาริโอตและโปรคาริโอตคือการขนส่ง mRNA เนื่องจากการถอดรหัสและการแปลของยูคาริโอตแยกออกจากกันในส่วนต่างๆ mRNA ของยูคาริโอตจึงต้องถูกส่งออกจากนิวเคลียสไปยังไซโตพลาสซึมซึ่งกระบวนการนี้อาจถูกควบคุมโดยเส้นทางการส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน[ 26 ] mRNA ที่โตเต็มวัยจะถูกจดจำโดยการดัดแปลงที่ผ่านกระบวนการแล้ว จากนั้นจะถูกส่งออกผ่านรูพรุนของนิวเคลียสโดยการจับกับโปรตีนที่จับกับแคป CBP20 และ CBP80 [ 27 ]รวมถึงคอมเพล็กซ์การถอดรหัส/การส่งออก (TREX) [ 28 ] [ 29 ]มีการระบุเส้นทางการส่งออก mRNA หลายเส้นทางในยูคาริโอต[ 30 ]
ในเซลล์ที่มีโครงสร้างเชิงพื้นที่ซับซ้อน mRNA บางส่วนจะถูกขนส่งไปยังตำแหน่งย่อยของเซลล์ที่เฉพาะเจาะจง ในเซลล์ ประสาทที่เจริญเต็มที่ mRNA บางส่วนจะถูกขนส่งจากโซมาไปยังเดนไดรต์ ตำแหน่งหนึ่งของการแปล mRNA คือที่โพลีไรโบโซมซึ่งอยู่ใต้ไซแนปส์อย่างเลือกสรร[ 31 ] mRNA สำหรับArc/Arg3.1ถูกกระตุ้นโดยกิจกรรมของไซแนปส์และอยู่เฉพาะที่ใกล้ไซแนปส์ ที่ทำงานอยู่ โดยอาศัยสัญญาณที่สร้างขึ้นโดยตัวรับ NMDA [ 32 ] mRNA อื่นๆ ก็เคลื่อนที่เข้าไปในเดนไดรต์เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่นmRNA ของ β-actin [ 33 ]สำหรับการส่งออกออกจากนิวเคลียส mRNA ของแอคตินจะเชื่อมโยงกับZBP1 [ 34 ]และต่อมากับหน่วยย่อย 40Sคอมเพล็กซ์นี้จะถูกจับโดยโปรตีนมอเตอร์และถูกขนส่งไปยังตำแหน่งเป้าหมาย ( ส่วนขยายของนิวไรต์ ) ตามโครงร่างของเซลล์ในที่สุด ZBP1 จะถูกฟอสโฟรีเลตโดยSrcเพื่อเริ่มต้นการแปล[ 35 ]ในเซลล์ประสาทที่กำลังพัฒนา mRNA ยังถูกขนส่งเข้าไปในแอกซอน ที่กำลังเติบโต และโดยเฉพาะอย่างยิ่งกรวยการเจริญเติบโต mRNA จำนวนมากถูกทำเครื่องหมายด้วยสิ่งที่เรียกว่า "รหัสไปรษณีย์" ซึ่งกำหนดเป้าหมายการขนส่งไปยังตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง[ 36 ] [ 37 ] mRNA ยังสามารถถ่ายโอนระหว่างเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมผ่านโครงสร้างที่เรียกว่าท่อนาโนอุโมงค์[ 38 ] [ 39 ]
การแปล
เนื่องจาก mRNA ของโปรคาริโอตไม่จำเป็นต้องได้รับการประมวลผลหรือขนส่ง การแปลโดยไรโบโซมจึงสามารถเริ่มต้นได้ทันทีหลังจากสิ้นสุดการถอดรหัส ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าการแปลของโปรคาริโอตเชื่อมโยงกับการถอดรหัสและเกิดขึ้นพร้อมกับการถอดรหัส[ 40 ]
ในเซลล์ยูคาริโอติกกระบวนการแปลเริ่มต้นด้วยข้อมูลที่เก็บไว้ในลำดับนิวคลีโอไทด์ของDNAซึ่งจะถูกแปลงเป็น mRNA ก่อน จากนั้นtRNAจะระบุว่าโคดอนสามนิวคลีโอไทด์ใดจากรหัสพันธุกรรมตรงกับกรดอะมิโนใด[ 41 ]
mRNA ของยูคาริโอตที่ได้รับการประมวลผลและขนส่งไปยังไซโตพลาสซึม (เช่น mRNA ที่เจริญเต็มที่) สามารถถูกแปลโดยไรโบโซมได้ การแปลอาจเกิดขึ้นที่ไรโบโซมที่ลอยอยู่ในไซโตพลาสซึม หรือถูกกำหนดเป้าหมายไปยังเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมโดยอนุภาคการรับรู้สัญญาณดังนั้น ต่างจากในโปรคาริโอต การแปลของยูคาริโอตจึงไม่ได้เชื่อมโยงโดยตรงกับการถอดรหัส ในบางบริบท ปริมาณโปรตีนอาจเพิ่มขึ้นแม้ว่าปริมาณ mRNA จะลดลง เนื่องจากประสิทธิภาพการแปลและการหมุนเวียนของโปรตีนถูกควบคุมอย่างอิสระจากระดับการถอดรหัส ซึ่งมีรายงานเกี่ยวกับระดับ mRNA และโปรตีนของEEF1A1ในมะเร็งเต้านม[ 42 ] [ 43 ]
โครงสร้าง
พื้นที่การเข้ารหัส
บริเวณการเข้ารหัสประกอบด้วยโคดอนซึ่งจะถูกถอดรหัสและแปลเป็นโปรตีนโดยไรโบโซม ในยูคาริโอตมักจะเป็นหนึ่ง และในโปรคาริโอตมักจะเป็นหลาย บริเวณการเข้ารหัสเริ่มต้นด้วยโคดอนเริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยโคดอนหยุดโดยทั่วไป โคดอนเริ่มต้นคือไตรเพล็ต AUG และโคดอนหยุดคือ UAG (“amber”), UAA (“ochre”) หรือ UGA (“opal”) [ 1 ]บริเวณการเข้ารหัสมีแนวโน้มที่จะมีความเสถียรโดยคู่เบสภายใน ซึ่งขัดขวางการสลายตัว[ 44 ] [ 45 ]นอกเหนือจากการเข้ารหัสโปรตีนแล้ว บางส่วนของบริเวณการเข้ารหัสอาจทำหน้าที่เป็นลำดับควบคุมในพรี-mRNAเช่นตัวเร่งการต่อเชื่อมเอ็กซอนหรือตัวยับยั้งการต่อเชื่อมเอ็กซอน
ภูมิภาคที่ยังไม่ได้แปล
บริเวณที่ไม่ถูกแปล (UTRs) คือส่วนของ mRNA ก่อนรหัสเริ่มต้นและหลังรหัสหยุดที่ไม่ถูกแปล เรียกว่าบริเวณที่ไม่ถูกแปลห้าไพรม์ (5' UTR) และบริเวณที่ไม่ถูกแปลสามไพรม์ (3' UTR) ตามลำดับ[ 46 ]บริเวณเหล่านี้จะถูกถอดรหัสพร้อมกับบริเวณที่เข้ารหัส ดังนั้นจึงเป็นเอ็กซอนเนื่องจากมีอยู่ใน mRNA ที่เจริญเต็มที่[ 5 ]บทบาทหลายอย่างในการแสดงออกของยีนได้รับการระบุให้กับบริเวณที่ไม่ถูกแปล รวมถึงความเสถียรของ mRNA การกำหนดตำแหน่งของ mRNA และประสิทธิภาพการแปล ความสามารถของ UTR ในการทำหน้าที่เหล่านี้ขึ้นอยู่กับลำดับของ UTR และอาจแตกต่างกันไปในแต่ละ mRNA [ 46 ]ตัวแปรทางพันธุกรรมใน 3' UTR ยังเกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อการเกิดโรคเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้าง RNA และการแปลโปรตีน[ 47 ]
ความเสถียรของ mRNA อาจถูกควบคุมโดย 5' UTR และ/หรือ 3' UTR เนื่องจากความสัมพันธ์ที่แตกต่างกันสำหรับเอนไซม์ย่อยสลาย RNA ที่เรียกว่าไรโบนิวคลีเอสและสำหรับโปรตีนเสริมที่สามารถส่งเสริมหรือยับยั้งการย่อยสลาย RNA [ 46 ] (ดูเพิ่มเติมที่องค์ประกอบความเสถียรที่อุดมด้วย C )
ประสิทธิภาพการแปล รวมถึงบางครั้งการยับยั้งการแปลอย่างสมบูรณ์ สามารถควบคุมได้ด้วย UTR [ 46 ]โปรตีนที่จับกับ UTR 3' หรือ 5' อาจส่งผลต่อการแปลโดยการมีอิทธิพลต่อความสามารถของไรโบโซมในการจับกับ mRNA [ 46 ]ไมโครอาร์เอ็นเอที่จับกับUTR 3'อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลหรือความเสถียรของ mRNA ได้เช่นกัน[ 48 ] [ 49 ]
การแปลตำแหน่ง mRNA ในไซโตพลาสซึมถือเป็นหน้าที่ของ 3' UTR [ 46 ]โปรตีนที่จำเป็นในบริเวณเฉพาะของเซลล์สามารถแปลได้ในบริเวณนั้นเช่นกัน ในกรณีเช่นนี้ 3' UTR อาจมีลำดับที่ทำให้ทรานสคริปต์สามารถแปลตำแหน่งไปยังบริเวณนี้ได้[ 33 ]
องค์ประกอบบางส่วนที่อยู่ในบริเวณที่ไม่ได้รับการแปลจะสร้างโครงสร้างทุติยภูมิ ที่มีลักษณะเฉพาะ เมื่อถูกถอดรหัสเป็น RNA องค์ประกอบโครงสร้าง mRNA เหล่านี้มีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุม mRNA [ 46 ]บางส่วน เช่นองค์ประกอบ SECISเป็นเป้าหมายสำหรับโปรตีนที่จะจับ[ 50 ]องค์ประกอบ mRNA ประเภทหนึ่งที่เรียกว่าriboswitchesจะจับกับโมเลกุลขนาดเล็กโดยตรง เปลี่ยนการพับเพื่อปรับเปลี่ยนระดับการถอดรหัสหรือการแปล ในกรณีเหล่านี้ mRNA จะควบคุมตัวเอง[ 51 ]
หางโพลี(เอ)
หางโพลี(A) 3' เป็นลำดับ นิวคลีโอไทด์ อะดีนีน ยาว (มักหลายร้อยตัว) ที่เพิ่มเข้าไปที่ปลาย 3'ของพรี-mRNA หางนี้ส่งเสริมการส่งออกออกจากนิวเคลียสและการแปล และปกป้อง mRNA จากการย่อยสลาย[ 5 ] [ 6 ]
เอ็มอาร์เอ็นเอแบบโมโนซิสโทรนิกเทียบกับแบบโพลีซิสโทรนิก
โมเลกุล mRNA เรียกว่าโมโนซิสโทรนิกเมื่อมีข้อมูลทางพันธุกรรมสำหรับแปล รหัส โปรตีนเพียงสายเดียว(โพลีเปปไทด์) ซึ่งเป็นกรณีของmRNA ในยูคาริโอ ต ส่วนใหญ่ [ 52 ] [ 53 ]ในทางกลับกัน mRNA โพลีซิสโทรนิกมีกรอบการอ่านแบบเปิด (ORF) หลายกรอบ ซึ่งแต่ละกรอบจะถูกแปลรหัสเป็นโพลีเปปไทด์ โพลีเปปไทด์เหล่านี้มักมีหน้าที่ที่เกี่ยวข้องกัน (มักเป็นหน่วยย่อยที่ประกอบเป็นโปรตีนเชิงซ้อนขั้นสุดท้าย) และลำดับการเข้ารหัสของพวกมันจะถูกจัดกลุ่มและควบคุมร่วมกันในบริเวณควบคุม ซึ่งประกอบด้วยโปรโมเตอร์และโอเปอเรเตอร์ mRNA ส่วนใหญ่ที่พบในแบคทีเรียและอาร์เคียเป็นโพลีซิสโทรนิก[ 52 ]เช่นเดียวกับจีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์[ 54 ] mRNA ไดซิสโทรนิกหรือไบซิสโทรนิกเข้ารหัสโปรตีน เพียงสองชนิด เท่านั้น
การสร้างวงจร mRNA
ในยูคาริโอต โมเลกุล mRNA จะสร้างโครงสร้างเป็นวงกลมเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างeIF4Eและโปรตีนที่จับกับโพลี(A)ซึ่งทั้งสองจะจับกับeIF4Gทำให้เกิดสะพาน mRNA-โปรตีน-mRNA [ 55 ]เชื่อกันว่าการสร้างเป็นวงกลมจะช่วยส่งเสริมการหมุนเวียนของไรโบโซมบน mRNA ซึ่งนำไปสู่การแปลที่มีประสิทธิภาพด้านเวลา และอาจทำหน้าที่เพื่อให้แน่ใจว่ามีเพียง mRNA ที่สมบูรณ์เท่านั้นที่จะถูกแปล (mRNA ที่ถูกย่อยสลายบางส่วนจะมีลักษณะเฉพาะคือไม่มีหมวก m7G หรือไม่มีหางโพลี-A) [ 56 ]
กลไกอื่นๆ สำหรับการสร้างวงกลมมีอยู่ โดยเฉพาะในไวรัส ในไวรัส RNA หลายชนิด ปฏิสัมพันธ์ของ RNA ระยะไกลและ/หรือสะพานที่เชื่อมโยงด้วยโปรตีนระหว่างปลาย 5' และ 3' สามารถส่งเสริมการแปลและการจำลองจีโนมได้[ 57 ]
จีโนมของไวรัส RNA (ซึ่งสาย + จะถูกแปลเป็น mRNA) มักจะเป็นวงกลมเช่นกัน[ 58 ]
การเสื่อมสภาพ
mRNA ที่แตกต่างกันภายในเซลล์เดียวกันมีอายุขัย (ความเสถียร) ที่แตกต่างกัน ในเซลล์แบคทีเรีย mRNA แต่ละตัวสามารถอยู่รอดได้ตั้งแต่ไม่กี่วินาทีไปจนถึงมากกว่าหนึ่งชั่วโมง อย่างไรก็ตาม อายุขัยเฉลี่ยอยู่ที่ระหว่าง 1 ถึง 3 นาที ทำให้ mRNA ของแบคทีเรียมีความเสถียรน้อยกว่า mRNA ของยูคาริโอตมาก[ 59 ]ในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม อายุขัยของ mRNA มีตั้งแต่หลายนาทีไปจนถึงหลายวัน[ 60 ]ยิ่ง mRNA มีความเสถียรมากเท่าใด ก็ยิ่งสามารถผลิตโปรตีนจาก mRNA นั้นได้มากขึ้นเท่านั้น[ 1 ]อายุขัยที่จำกัดของ mRNA ช่วยให้เซลล์สามารถเปลี่ยนแปลงการสังเคราะห์โปรตีนได้อย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองต่อความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไป[ 1 ]มีกลไกหลายอย่างที่นำไปสู่การทำลาย mRNA ซึ่งบางส่วนจะอธิบายไว้ด้านล่าง
การย่อยสลาย mRNA ของโปรคาริโอต
โดยทั่วไปแล้ว ในโปรคาริโอต อายุขัยของ mRNA จะสั้นกว่าในยูคาริโอตมาก โปรคาริโอตจะย่อยสลายข้อความโดยใช้เอนไซม์ไรโบนิวคลีเอสหลายชนิดรวมกัน ได้แก่เอนโดนิวคลีเอส 3' เอ็กโซนิวคลี เอส และ 5' เอ็กโซนิวคลี เอส [ 5 ]ในบางกรณีโมเลกุล RNA ขนาดเล็ก (sRNA) ที่มีความยาวหลายสิบถึงหลายร้อยนิวคลีโอไทด์สามารถกระตุ้นการย่อยสลาย mRNA เฉพาะได้โดยการจับคู่เบสกับลำดับที่เสริมกันและอำนวยความสะดวกในการตัดด้วยไรโบนิ วคลีเอส โดย RNase III [ 5 ] เมื่อเร็วๆ นี้มีการแสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียยังมี หมวก 5'ชนิดหนึ่งซึ่งประกอบด้วยไตรฟอสเฟตที่ปลาย5' [ 61 ]การกำจัดฟอสเฟตสองตัวจะเหลือโมโนฟอสเฟตที่ปลาย 5' ทำให้ข้อความถูกทำลายโดยเอ็กโซนิวคลีเอส RNase J ซึ่งย่อยสลายจาก 5' ไป 3'
การหมุนเวียนของ mRNA ในยูคาริโอต
ภายในเซลล์ยูคาริโอติก มีความสมดุลระหว่างกระบวนการแปลและการสลายตัวของ mRNA ข้อความที่กำลังถูกแปลอย่างแข็งขันมักจะเกี่ยวข้องกับปัจจัยการจับแคปและปัจจัยการเริ่มต้นการแปล และโปรตีนที่จับกับโพลี(A)ซึ่งสามารถต่อต้านการกำจัดอะดีนีนและการกำจัดแคป และช่วยปกป้องปลาย mRNA จากกลไกการสลายตัว[ 5 ]ความสมดุลระหว่างการแปลและการสลายตัวสะท้อนให้เห็นในขนาดและความอุดมสมบูรณ์ของโครงสร้างไซโตพลาสมิกที่เรียกว่าP-bodies [ 62 ] หางโพลี(A) ของ mRNA จะถูกทำให้สั้นลงโดยเอ็กโซนิวคลีเอสเฉพาะที่กำหนดเป้าหมายไปยัง mRNA เฉพาะโดยการรวมกันของลำดับควบคุมซิสบน RNA และโปรตีนที่จับกับ RNA ที่ออกฤทธิ์แบบทรานส์[ 5 ]การกำจัดหางโพลี(A) เชื่อว่าจะทำลายโครงสร้างวงกลมของข้อความและทำให้คอมเพล็กซ์การจับแคป ไม่เสถียร จากนั้นข้อความจะถูกย่อยสลายโดยคอมเพล็กซ์เอ็กโซโซมหรือคอมเพล็กซ์การกำจัดแคป[ 5 ]ด้วยวิธีนี้ ข้อความที่ไม่ทำงานในการแปลสามารถถูกทำลายได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่ข้อความที่ทำงานอยู่ยังคงอยู่ครบถ้วน กลไกที่การแปลหยุดลงและข้อความถูกส่งต่อไปยังคอมเพล็กซ์การสลายตัวยังไม่เป็นที่เข้าใจโดยละเอียด[ 5 ]เชื่อกันว่าการสลายตัวของ mRNA ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการอธิบายเส้นทางการสลายตัวของ mRNA แบบใหม่ ซึ่งเริ่มต้นในนิวเคลียส[ 63 ]
การสลายตัวของธาตุที่มี AU สูง
การมีอยู่ขององค์ประกอบที่อุดมไปด้วย AUใน mRNA ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิดมีแนวโน้มที่จะทำให้ทรานสคริปต์เหล่านั้นไม่เสถียรผ่านการทำงานของโปรตีนในเซลล์ที่จับกับลำดับเหล่านี้และกระตุ้นการกำจัดหางโพลี(A) [ 64 ] [ 65 ]เชื่อกันว่าการสูญเสียหางโพลี(A) จะส่งเสริมการย่อยสลาย mRNA โดยอำนวยความสะดวกในการโจมตีโดยทั้งคอมเพล็กซ์เอ็กโซโซม[ 65 ]และคอมเพล็กซ์ดีแคปปิ้ง [ 66 ] การย่อยสลาย mRNA อย่างรวดเร็วผ่านองค์ประกอบที่อุดมไปด้วย AUเป็นกลไกสำคัญในการป้องกันการผลิตไซโตไคน์ที่มีศักยภาพมากเกินไป เช่น ปัจจัยเนื้องอกเนโครซิส (TNF) และปัจจัยกระตุ้นการสร้างโคโลนีของเม็ดเลือดขาวและแมโครฟาจ (GM-CSF) [ 67 ]องค์ประกอบที่อุดมไปด้วย AU ยังควบคุมการสังเคราะห์ทางชีวภาพของปัจจัยการถอดรหัสโปรโตออนโคจีนิก เช่นc-Junและc- Fos [ 64 ]
การสลายตัวที่เกิดจากความไร้สาระ
ข้อความยูคาริโอตอยู่ภายใต้การตรวจสอบโดยการสลายตัวที่เกิดจากรหัสหยุดก่อนกำหนด (NMD) ซึ่งตรวจสอบการมีอยู่ของรหัสหยุดก่อนกำหนด (รหัสหยุดไร้ความหมาย) ในข้อความ สิ่งเหล่านี้อาจเกิดขึ้นได้จากการต่อเชื่อมที่ไม่สมบูรณ์ การรวมตัวใหม่ของ V(D)Jในระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัว การกลายพันธุ์ใน DNA ข้อผิดพลาดในการถอดรหัสการสแกนที่รั่วไหลโดยไรโบโซมทำให้เกิดการเลื่อนเฟรม และสาเหตุอื่นๆ การตรวจพบรหัสหยุดก่อนกำหนดจะกระตุ้นการย่อยสลาย mRNA โดยการกำจัดหมวก 5' การกำจัดหาง โพลี(A) 3' หรือการตัดด้วยเอนโดนิวคลีโอไลติก[ 68 ]
อาร์เอ็นเอแทรกแซงขนาดเล็ก (siRNA)
ในเมตาโซแอนส์ RNA รบกวนขนาดเล็ก (siRNA) ที่ประมวลผลโดยDicerจะถูกรวมเข้ากับคอมเพล็กซ์ที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์การยับยั้งการทำงานของ RNAหรือ RISC คอมเพล็กซ์นี้ประกอบด้วยเอนโดนิวคลีเอสที่ตัดข้อความที่เสริมกันอย่างสมบูรณ์ซึ่ง siRNA จับอยู่ ชิ้นส่วน mRNA ที่ได้จะถูกทำลายโดยเอ็กโซนิวคลีเอส siRNA มักใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อบล็อกการทำงานของยีนในการเพาะเลี้ยงเซลล์ เชื่อกันว่าเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดเพื่อป้องกันไวรัส RNA สองสาย[ 69 ]
ไมโครอาร์เอ็นเอ (miRNA)
ไมโครอาร์เอ็นเอ (miRNAs) เป็นอาร์เอ็นเอขนาดเล็กที่โดยทั่วไปจะเสริมกันบางส่วนกับลำดับในอาร์เอ็นเอส่งสารของสัตว์หลายเซลล์[ 70 ] [ 71 ]การจับกันของ miRNA กับข้อความสามารถยับยั้งการแปลข้อความนั้นและเร่งการกำจัดหางโพลี(A) ซึ่งจะทำให้การย่อยสลาย mRNA เร็วขึ้น กลไกการทำงานของ miRNAs เป็นหัวข้อของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่[ 72 ] [ 49 ]
กลไกการสลายตัวอื่นๆ
ยังมีวิธีอื่นๆ ที่ทำให้ข้อความเสื่อมสภาพได้ เช่นการสลายตัวอย่างต่อเนื่องและการปิดกั้นโดยRNA ที่มีปฏิสัมพันธ์กับ Piwi (piRNA) เป็นต้น[ 5 ] [ 73 ]
แอปพลิเคชัน
การบริหารลำดับอาร์เอ็นเอส่งสารที่ดัดแปลงนิวคลีโอไซด์สามารถทำให้เซลล์สร้างโปรตีน ซึ่งในทางกลับกันสามารถรักษาโรคได้โดยตรงหรือทำหน้าที่เป็นวัคซีนได้ นอกจากนี้ โปรตีนยังสามารถกระตุ้นเซลล์ต้น กำเนิดภายในร่างกาย ให้แตกต่างไปในทิศทางที่ต้องการได้โดยทาง อ้อม [ 74 ] [ 75 ]
ความท้าทายหลักของการบำบัดด้วย RNA มุ่งเน้นไปที่การส่ง RNA ไปยังเซลล์ที่เหมาะสม[ 76 ]ความท้าทายเหล่านี้รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่าลำดับ RNA ที่ไม่มีสารเคลือบจะเสื่อมสภาพตามธรรมชาติหลังจากการเตรียม อาจกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน ของร่างกาย ให้โจมตีพวกมันในฐานะผู้บุกรุก และไม่สามารถซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้[ 75 ]เมื่อเข้าไปในเซลล์แล้ว พวกมันจะต้องออกจากกลไกการขนส่งของเซลล์เพื่อดำเนินการภายในไซโตพ ลา ซึม ซึ่งเป็นที่อยู่ของ ไรโบโซมที่จำเป็น[ 74 ]
การเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ ทำให้มีการเสนอแนวคิดการใช้ mRNA เป็นวิธีการรักษาเป็นครั้งแรกในปี 1989 "หลังจากการพัฒนาเทคนิคการถ่ายโอนยีนในหลอดทดลองที่สามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวาง" [ 77 ]ในช่วงทศวรรษ 1990 มีการพัฒนาวัคซีน mRNA สำหรับมะเร็งเฉพาะบุคคล โดยทั่วไปจะใช้ mRNA ที่ไม่ได้รับ การดัดแปลง [ 78 ]การบำบัดด้วย mRNA ยังคงได้รับการศึกษาอย่างต่อเนื่องในฐานะวิธีการรักษาหรือบำบัดสำหรับทั้งมะเร็งและโรคภูมิต้านตนเอง โรคเมตาบอลิซึม และโรคอักเสบในระบบทางเดินหายใจ[ 79 ]การบำบัดด้วยการแก้ไขยีน เช่นCRISPRอาจได้รับประโยชน์จากการใช้ mRNA เพื่อกระตุ้นให้เซลล์สร้างโปรตีนCas ที่ต้องการ [ 76 ]
นับตั้งแต่ทศวรรษ 2010 เป็นต้นมา วัคซีน RNA และยาบำบัด RNA อื่นๆ ได้รับการพิจารณาว่าเป็น "ยาประเภทใหม่" [ 79 ]วัคซีนที่ใช้ mRNA ตัวแรกได้รับการอนุมัติแบบจำกัดและถูกนำไปใช้ทั่วโลกในช่วงการระบาดของ COVID-19โดยวัคซีน COVID-19 ของ Pfizer–BioNTechและModernaเป็นต้น[ 80 ]รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ประจำ ปี 2023 ได้รับการมอบให้แก่Katalin KarikóและDrew Weissmanสำหรับการพัฒนาวัคซีน mRNA ที่มีประสิทธิภาพต่อต้าน COVID-19 [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]แนวทางใหม่ในการปรับระดับ RNA ในฐานะยาบำบัด ได้แก่ การใช้โอลิโกนิวคลีโอไทด์แอนติเซนส์ รวมถึงสำหรับโรคพัฒนาการทางระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเสียชีวิตสูง[ 84 ]
ประวัติศาสตร์
การศึกษาทางชีววิทยาโมเลกุลหลายชิ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ชี้ให้เห็นว่า RNA มีบทบาทในการสังเคราะห์โปรตีน แม้ว่าบทบาทที่เฉพาะเจาะจงจะยังไม่ชัดเจนก็ตาม[ 8 ]ตัวอย่างเช่น ในรายงานฉบับแรกๆAyaka Stephanie Hoggและทีมงานของเขาแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ RNA มีความจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการผลิตเอนไซม์β-galactosidaseในแบคทีเรียE. coli [ 85 ] Arthur Pardeeยังพบการสะสม RNA ที่คล้ายกันในปี 1954 [ 86 ]ในปี 1953 Alfred Hershey , June Dixon และMartha ChaseศึกษาE. coliที่ติดเชื้อแบคทีริโอเฟจ T2 และรายงานว่า DNA ของแบคทีเรียเองลดลงในขณะที่ DNA ของฟาจสะสมอยู่ภายในเซลล์ที่ติดเชื้อ (รวมถึง DNA ที่มี 5-hydroxymethylcytosine) [ 87 ]เมื่อมองย้อนกลับไป สิ่งนี้ได้รับการกล่าวถึงว่าเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่การสังเกตที่นำไปสู่แนวคิดของ mRNA และในขณะนั้นยังไม่ได้รับการยอมรับเช่นนั้น[ 8 ]
แนวคิดเรื่อง mRNA เกิดขึ้นครั้งแรกโดยซิดนีย์ เบรนเนอร์และฟรานซิส คริกเมื่อวันที่ 15 เมษายน พ.ศ. 2503 ที่คิงส์คอลเลจ เคมบริดจ์ขณะที่ฟรองซัวส์ จาคอบกำลังเล่าให้พวกเขาฟังเกี่ยวกับการทดลองล่าสุดที่ดำเนินการโดยอาร์เธอร์ พาร์ดีและโมโนด์ (การทดลองที่เรียกว่า PaJaMo ซึ่งไม่ได้พิสูจน์ว่า mRNA มีอยู่จริง แต่ชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่) ด้วยการสนับสนุนของคริก เบรนเนอร์และจาคอบจึงเริ่มทดสอบสมมติฐานใหม่นี้ทันที และพวกเขาได้ติดต่อแมทธิว เมเซลสันที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียเพื่อขอความช่วยเหลือ ในช่วงฤดูร้อนของปี พ.ศ. 2503 เบรนเนอร์ จาคอบ และเมเซลสันได้ทำการทดลองในห้องปฏิบัติการของเมเซลสันที่ Caltech ซึ่งเป็นการทดลองแรกที่พิสูจน์การมีอยู่ของ mRNA ในฤดูใบไม้ร่วงนั้น จาคอบและโมโนด์ได้บัญญัติชื่อ "messenger RNA" และพัฒนากรอบทฤษฎีแรกเพื่ออธิบายการทำงานของมัน[ 8 ]
ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2504 เจมส์ วัตสันเปิดเผยว่ากลุ่มวิจัยของเขา ที่ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้ทำการทดลองหลายชุดตามมาติดๆ ซึ่งผลลัพธ์ชี้ไปในทิศทางเดียวกันโดยประมาณ เบรนเนอร์และคนอื่นๆ ตกลงตามคำขอของวัตสันที่จะเลื่อนการเผยแพร่ผลการวิจัยของพวกเขาออกไป ส่งผลให้บทความของเบรนเนอร์และวัตสันได้รับการตีพิมพ์พร้อมกันในวารสารNature ฉบับเดียวกัน ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2504 ขณะเดียวกันในเดือนเดียวกันนั้น เจคอบและโมโนดได้ตีพิมพ์กรอบทฤษฎีสำหรับ mRNA ในวารสาร Journal of Molecular Biology [ 8 ]
ดูเพิ่มเติม
- การทดสอบส่วนขยายโพลี(เอ)
- GeneCallingเทคโนโลยีการวิเคราะห์โปรไฟล์ mRNA
- เอ็มอาร์เอ็นเอที่ผิดพลาด
- การแสดงผล mRNA
- การตรวจสอบ mRNA
- การย่อยสลาย mRNA ของโปรคาริโอต
- ทรานสคริปโตมคือ ผลรวมของอาร์เอ็นเอทั้งหมดในเซลล์
- modRNA (อาร์เอ็นเอส่งสารที่ถูกดัดแปลงนิวคลีโอไซด์)
External links
- RNAi Atlas: a database of RNAi libraries and their target analysis results
- miRSearchArchived 2012-12-04 at the Wayback Machine: Tool for finding microRNAs that target mRNA
- How mRNA is coded?: YouTube video
- What is mRNA?: theconversation.com