Рибосвітчі – молекулярні перемикачі

Відкриття того факту, що послідовності у 5’-нетрансльованому регіоні певних бактеріальних мРНК здатні «вмиканням» або «вимиканням» регулювати експресію генів навіть за відсутності білків, мало велике функціональне та потенційне терапевтичне значення і, разом з тим, започаткувало напрямок дослідження так званих рибосвітчів.

Вінклером зі співробітниками у 2004 році було виявлено, що рибосвітчі здатні регулювати експресію генів бактерій шляхом значних змін власної конформації під впливом певних ендогенних низькомолекулярних метаболітів. А зовсім недавно, у 2007 році Чеєм з колегами, було показано існування таких структур і у клітинах еукаріот, де їхньою можливою функцією є регуляція сплайсингу РНК.

Механізм дії рибосвітчів може включати у себе, наприклад, приєднання їх до пуринових основ, деяких кофакторів, певних амінокислот. Переважна більшість рибосвітчів містить два ключових домени:

1. Так званий аптамерний компонент для зв’язування з вищенаведеними лігандами,

2. «Платформу експресії», яка трансформує індуковану приєднанням ліганду конформаційну зміну у зміну генної експресії.

Така будова рибосвітчів була візуалізована на прикладі кристалічної структури гуанін-чутливого рибосвітча з оперону xptpbuX, виділеного з організму Bacillus subtilis. Даний рибосвітч був виявлений у зв’язаній з гіпоксантином (який дуже нагадує ліганд гуанін) формі Бейті, Джилбертом та Монтагом у 2004 році. Така структура мала петлі на верхньому кінці двох паралельних хеліксів, названих Р1 та Р2, які були поєднані між собою за допомогою певного числа водневих зв’язків між основами. На іншому, нижньому кінці структури рибосвітча виявлялася приєднувальна «кишеня», яка формувалася за рахунок тристволового сполучення двох вищенаведених хеліксів з третім - Р3 (слайд 29 повністю).

Згідно даних Серганова з колегами, отриманих у 2004 році, ліганд (G) був майже повністю закритий усередині структури гуанін-чутливого рибосвітча, та формував велику кількість водневих зв’язків з оточуючими нуклеотидами РНК, які за послідовністю виявилися високо консервативними (слайд 28). Такий тип рибосвітчів «вимикає» генну експресію, тобто відноситься до негативних регуляторів.

Існують певні форми рибосвітчів, які, навпаки, «вмикають» експресію генів, через, наприклад, дозвіл на формування термінаторного стебла транскрипції у відсутності аденіну, а за присутності – неможливості такого формування, тому їх називають аденіновими. Обидва аденіновий та гуаніновий рибосвітчі мають дуже схожу третинну структуру навіть за умови збігання послідовностей лише на 59%.

Ще одним варіантом більш складних рибосвітчів є ті, що приєднують кофермент тіамінпірофосфат (ТПФ) та через це отримали назву thi-боксів. Зовсім недавно, у 2006 році, було незалежно отримано три кристалічних структури даного рибосвітчу – Едвардсом та Ферре-Д’Амаре, Сергановим з колегами, та Торе, Лейбандгутом та Беном. Всі три структури виявилися дуже схожими між собою (за винятком невеликих варіацій послідовностей у неконсервативних регіонах) – являли собою Y-подібну молекулу, що складалася з двох нерегулярних хеліксів/петель РНК, що були поєднані між собою та приєднані до третього хеліксу тристволовим сполученням (слайд 30).

Ліганд (ТПФ) у такій структурі приєднувався у спеціальній опуклій «кишені», що була оточена консервативними послідовностями основ, та тримався у даному сайті за допомогою сітки водневих зв’язків сформованими з даними основами (слайд 31) та за допомогою взаємодій з катіонами металів, розміщеними у структурі пірофосфатного хвоста ліганду.

У таблиці на слайді 32 представлені дані щодо отриманих насьогодні кристалічних структур рибосвітчів.