R-smyčka - R-loop - Wikipedia

An R-smyčka je třívláknová struktura nukleové kyseliny složená z DNA:RNA hybridní a přidružené nevláknové jednořetězcové DNA. R-smyčky se mohou tvořit za různých okolností a mohou být tolerovány nebo odstraněny buněčnými složkami. Termín „R-smyčka“ byl dán, aby odrážela podobnost těchto struktur s D-smyčky; „R“ v tomto případě představuje zapojení RNA skupina.

V laboratoři mohou být R-smyčky vytvářeny také hybridizace zralé mRNA s dvouvláknovou DNA za podmínek upřednostňujících tvorbu hybridu DNA-RNA; v tomto případě intron regiony (které byly spojené z mRNA) tvoří jednovláknové smyčky, protože nemohou hybridizovat s komplementární sekvencí v mRNA.

Dějiny

Ilustrace ukazující, jak hybrid DNA-mRNA tvoří R-smyčky v oblastech, kde byly odstraněny introny prostřednictvím sestřihových exonů.

R-smyčka byla poprvé popsána v roce 1976.[1] Nezávislé studie R-smyčky z laboratoří v Richard J. Roberts a Phillip A. Sharp to ukázal protein kódování adenovirus geny obsahoval DNA sekvence, které nebyly přítomny ve zralé mRNA.[2][3] Roberts a Sharp byli oceněni Nobelova cena v roce 1993 za nezávislé objevování intronů. Po objevu v adenoviru byly introny nalezeny v řadě eukaryotický geny, jako je gen eukaryotického ovalbuminu (nejprve laboratoří O'Malley, poté potvrzeny dalšími skupinami),[4][5] hexon DNA,[2] a extrachromozomální rRNA geny Tetrahymena thermophila.[6]

V polovině 80. let byl zahájen vývoj protilátka který se váže konkrétně na strukturu R-smyčky, otevřel dveře imunofluorescence studie, stejně jako charakterizace tvorby R-smyčky pomocí genomu DRIP-seq.[7]

Mapování R-smyčky

Mapování R-smyčky je laboratorní technika používaná k rozlišení intronů od exony ve dvouřetězcové DNA.[8] Tyto R-smyčky jsou vizualizovány pomocí elektronová mikroskopie a odhalit intronové oblasti DNA vytvořením nevázaných smyček v těchto oblastech.[9]

R-smyčky in vivo

Potenciál R-smyček sloužit jako replikační primery byl prokázán v roce 1980.[10] V roce 1994 bylo prokázáno, že jsou přítomny R-smyčky in vivo analýzou plazmidů izolovaných z E-coli mutanti nesoucí mutace v topoizomeráza.[11] Tento objev endogenní R-smyčky ve spojení s rychlým genetickým pokrokem sekvenování technologie, inspirovaný rozkvětem výzkumu R-smyčky na počátku roku 2000, který pokračuje dodnes.[12]

Regulace tvorby a rozlišení R-smyčky

RNaseH enzymy jsou primární proteiny odpovědné za rozpouštění R-smyček, které působí na degradaci RNA části, aby umožnily hybridizaci dvou komplementárních řetězců DNA.[13] Výzkum v posledním desetiletí identifikoval více než 50 proteinů, které podle všeho ovlivňují akumulaci R-smyčky, a přestože se předpokládá, že mnoho z nich přispívá sekvestrací nebo zpracováním nově transkribované RNA, aby se zabránilo opětovnému hybridizaci templátu, mechanismy R-smyčky interakce pro mnoho z těchto proteinů zbývá určit.[14]

Role R-smyček v genetické regulaci

Klíčovým krokem je tvorba R-smyčky změna třídy imunoglobulinů, proces, který umožňuje aktivaci B buňky modulovat protilátka Výroba.[15] Zdá se také, že hrají roli při ochraně některých aktivních promotéři z methylace.[16] Přítomnost R-smyček může také inhibovat transkripci.[17] Navíc se zdá, že tvorba R-smyčky je spojena s „otevřenou“ chromatin, charakteristika aktivně přepisovaných oblastí.[18][19]

R-smyčky jako genetické poškození

Když se vytvoří neplánované smyčky R, mohou způsobit poškození řadou různých mechanismů.[20] Odkryté jednovláknové DNA mohou být napadeni endogenními mutageny, včetně enzymů modifikujících DNA, jako jsou aktivací vyvolaná cytidindeamináza, a může blokovat replikační vidlice, aby vyvolaly kolaps vidlice a následné dvouvláknové zlomy.[21] R-smyčky také mohou vyvolat neplánovanou replikaci tím, že budou fungovat jako primer.[10][19]

Akumulace R-smyčky byla spojena s řadou nemocí, včetně amyotrofická laterální skleróza typu 4 (ALS4), ataxie okulomotorická apraxie typu 2 (AOA2), Aicardi – Goutièresův syndrom, Angelmanov syndrom, Prader-Williho syndrom a rakovina.[12]

R-smyčky, introny a poškození DNA

Introny jsou nekódující oblasti uvnitř geny které jsou transkribovány spolu s kódujícími oblastmi genů, ale jsou následně odstraněny z primární přepis RNA podle sestřih. Aktivně přepsané oblasti DNA často tvoří R-smyčky, které jsou zranitelné Poškození DNA. Introny snižují tvorbu R-smyčky a poškození DNA ve vysoce exprimovaných kvasinkových genech.[22] Analýza celého genomu ukázala, že geny obsahující intron vykazují sníženou hladinu R-smyčky a snížené poškození DNA ve srovnání s geny podobné exprese bez intronu jak u kvasinek, tak u lidí.[22] Vložení intronu do genu náchylného k R-smyčce může také potlačit tvorbu R-smyčky a rekombinace. Bonnet a kol. (2017)[22] spekulovali, že funkce intronů při udržování genetické stability může vysvětlovat jejich evoluční udržování na určitých místech, zejména ve vysoce exprimovaných genech.

Viz také

Reference

  1. ^ Thomas M, White RL, Davis RW (červenec 1976). „Hybridizace RNA na dvouvláknovou DNA: tvorba R-smyček“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 73 (7): 2294–8. Bibcode:1976PNAS ... 73.2294T. doi:10.1073 / pnas.73.7.2294. PMC  430535. PMID  781674.
  2. ^ A b Berget SM, Moore C, Sharp PA (srpen 1977). "Spojené segmenty na 5 'konci adenoviru 2 pozdní mRNA". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 74 (8): 3171–5. Bibcode:1977PNAS ... 74.3171B. doi:10.1073 / pnas.74.8.3171. PMC  431482. PMID  269380.
  3. ^ Chow LT, Gelinas RE, Broker TR, Roberts RJ (září 1977). "Úžasné uspořádání sekvencí na 5 'koncích messengerové RNA adenoviru 2". Buňka. 12 (1): 1–8. doi:10.1016/0092-8674(77)90180-5. PMID  902310. S2CID  2099968.
  4. ^ Lai EC, Woo SL, Dugaiczyk A, Catterall JF, O'Malley BW (květen 1978). „Gen ovalbuminu: strukturní sekvence v nativní kuřecí DNA nejsou souvislé“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 75 (5): 2205–9. Bibcode:1978PNAS ... 75,2205L. doi:10.1073 / pnas.75.5.2205. PMC  392520. PMID  276861.
  5. ^ O'Hare K, Breathnach R, Benoist C, Chambon P (září 1979). „Ne více než sedm přerušení genu pro ovalbumin: srovnání genomových a dvouvláknových sekvencí cDNA“. Výzkum nukleových kyselin. 7 (2): 321–34. doi:10.1093 / nar / 7.2.321. PMC  328020. PMID  493147.
  6. ^ Cech TR, Rio DC (říjen 1979). "Lokalizace transkribovaných oblastí na extrachromozomálních ribozomálních RNA genech Tetrahymena thermophila mapováním R-smyčky". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 76 (10): 5051–5. Bibcode:1979PNAS ... 76.5051C. doi:10.1073 / pnas.76.10.5051. PMC  413077. PMID  291921.
  7. ^ Boguslawski SJ, Smith DE, Michalak MA, Mickelson KE, Yehle CO, Patterson WL, Carrico RJ (květen 1986). "Charakterizace monoklonální protilátky proti DNA.RNA a její aplikace na imunodetekci hybridů". Journal of Immunological Methods. 89 (1): 123–30. doi:10.1016/0022-1759(86)90040-2. PMID  2422282.
  8. ^ Woolford JL, Rosbash M (červen 1979). „Použití R-smyčky pro identifikaci strukturního genu a čištění mRNA“. Výzkum nukleových kyselin. 6 (7): 2483–97. doi:10.1093 / nar / 6.7.2483. PMC  327867. PMID  379820.
  9. ^ King RC, Stansfield WD, Mulligan PK (2007). Slovník genetiky. Oxford University Press 7.
  10. ^ A b Itoh T, Tomizawa J (květen 1980). „Tvorba RNA primeru pro zahájení replikace DNA ColE1 ribonukleázou H“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 77 (5): 2450–4. Bibcode:1980PNAS ... 77.2450I. doi:10.1073 / pnas.77.5.2450. PMC  349417. PMID  6156450.
  11. ^ Drolet M, Bi X, Liu LF (leden 1994). "Hypernegativní nadšroubovění šablony DNA během prodlužování transkripce in vitro". The Journal of Biological Chemistry. 269 (3): 2068–74. PMID  8294458.
  12. ^ A b Groh M, Gromak N (září 2014). "Nerovnováha: R-smyčky u lidských nemocí". Genetika PLOS. 10 (9): e1004630. doi:10.1371 / journal.pgen.1004630. PMC  4169248. PMID  25233079.
  13. ^ Cerritelli SM, Crouch RJ (březen 2009). „Ribonukleáza H: enzymy v eukaryotech“. FEBS Journal. 276 (6): 1494–505. doi:10.1111 / j.1742-4658.2009.06908.x. PMC  2746905. PMID  19228196.
  14. ^ Chan YA, Aristizabal MJ, Lu PY, Luo Z, Hamza A, Kobor MS, Stirling PC, Hieter P (duben 2014). „Profilování kvasinkové DNA v celém genomu: místa náchylná k hybridním RNA s čipem DRIP“. Genetika PLOS. 10 (4): e1004288. doi:10.1371 / journal.pgen.1004288. PMC  3990523. PMID  24743342.
  15. ^ Roy D, Yu K, Lieber MR (leden 2008). "Mechanismus tvorby R-smyčky u přepínacích sekvencí třídy imunoglobulinů". Molekulární a buněčná biologie. 28 (1): 50–60. doi:10.1128 / mcb.01251-07. PMC  2223306. PMID  17954560.
  16. ^ Ginno PA, Lott PL, Christensen HC, Korf I, Chédin F (březen 2012). „Tvorba R-smyčky je charakteristickou vlastností nemetylovaných lidských promotorů ostrovů CpG“. Molekulární buňka. 45 (6): 814–25. doi:10.1016 / j.molcel.2012.01.017. PMC  3319272. PMID  22387027.
  17. ^ D'Souza AD, Belotserkovskii BP, Hanawalt PC (únor 2018). „Nový způsob inhibice transkripce zprostředkovaný PNA indukovanými R-smyčkami s modelovým systémem in vitro“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - regulační mechanismy genů. 1861 (2): 158–166. doi:10.1016 / j.bbagrm.2017.12.008. PMC  5820110. PMID  29357316.
  18. ^ Castellano-Pozo M, Santos-Pereira JM, Rondón AG, Barroso S, Andújar E, Pérez-Alegre M, García-Muse T, Aguilera A (listopad 2013). „R smyčky jsou spojeny s fosforylací histonu H3 S10 a kondenzací chromatinu“. Molekulární buňka. 52 (4): 583–90. doi:10.1016 / j.molcel.2013.10.006. PMID  24211264.
  19. ^ A b Costantino L, Koshland D (červen 2015). „Jin a Jang biologie smyčky R“. Současný názor na buněčnou biologii. 34: 39–45. doi:10.1016 / j.ceb.2015.04.008. PMC  4522345. PMID  25938907.
  20. ^ Belotserkovskii BP, Tornaletti S, D'Souza AD, Hanawalt PC (listopad 2018). „Generování R-smyčky během transkripce: Tvorba, zpracování a buněčné výsledky“. Oprava DNA. 71: 69–81. doi:10.1016 / j.dnarep.2018.08.009. PMC  6340742. PMID  30190235.
  21. ^ Sollier J, Cimprich KA (září 2015). „Breaking bad: R-loops and genome integrity“. Trendy v buněčné biologii. 25 (9): 514–22. doi:10.1016 / j.tcb.2015.05.003. PMC  4554970. PMID  26045257.
  22. ^ A b C Bonnet A, Grosso AR, Elkaoutari A, Coleno E, Presle A, Sridhara SC, Janbon G, Géli V, de Almeida SF, Palancade B (srpen 2017). „Introny chrání eukaryotické genomy před genetickou nestabilitou spojenou s transkripcí“. Molekulární buňka. 67 (4): 608–621.e6. doi:10.1016 / j.molcel.2017.07.002. PMID  28757210.