5S рРНК

5S рибосомна РНК (5S рРНК) — молекула рибосомної РНК що має довжину 120 нт і молекулярну масу близько 40000 Da. Вона є структурним і функціональним компонентом великих рибосомних субодиниць в основних доменах живого (бактерії, археї, еукаріоти), за виключенням мітохондріальних рибосом у грибів і тварин. Позначення 5S походить від швидкості седиментації цієї молекули під час ультрацентригування у одиницях Сведберга (S).

Вторинна структура та варіабельність послідовності 5S рРНК

Тривимірна структура молекули 5S рРНК з 50S рибосомної субодиниці бактерії Escherichia coli; дані кріо-електронної мікроскопії.

Біосинтез

У прокаріотів, ген 5S рРНК розташований в опероні рРНК після генів що кодують малу і велику субодиницю рРНК. Ці гени ко-транскрибуються в один поліцистронний прекурсор. Особливістю еукаріотичних ядерних геномів є наявність багатьох копій гену 5S рРНК (5S рДНК), які згруповані у тандемні повтори. Кількість копій варіюється у різних видів. Еукаріотична 5S рРНК синтезується РНК-полімеразою III, тоді як інші еукаріотичні рРНК утворюється в процесі розрізання 45S прекурсору, який був транскрибований РНК-полімеразою I. В ооцитах Xenopus було показано, що домени типу «цинковий палець» 4-7 фактора транскрипції TFIIIA можуть зв'язуватися з центральною ділянкою 5S рРНК. Взаємодія між 5S рРНК і TFIIIA одночасто зменшує транскрипцію генів 5S рРНК, а також стабілізує вже синтезовані транскрипти 5S рРНК до того моменту коли вони будуть використані для збірки рибосом.

Структура

Вторинна структура 5S рРНК представлена п'ятьма спіральними ділянками (позначаються римськими цифрами I—V), чотирма петлями (B-E), та однією рухомою петлею (A), які всі разом утворюють Y-подібну тривимірну структуру. Петлі C і D розташовані на периферії, тоді як петлі B і E є внутрішніми. Філогенетичні дослідження вказують на те що спіралі I та III є спорідненими. Спіраль III містить два висококонсервативних аденозини. Спіраль V, що містить шпилькоподібну структуру, бере участь у взаємодії з TFIIIA.

Розташування в контексті рибосоми

Тривимірна структура 50S рибосомної субодиниці з Haloarcula marismortui, PDB 1FFK. Рибосомні білки показані бузковим кольором, 23S рРНК — помаранчевим, 5S рРНК — жовтим. 5S рРНК разом з рибосомними білками L5 та L18 та доменом V субодиниці 23S утворюють центральний протруберанець (англ. central protuberance, CP).

За допомогою різноманітний методів, таких як кріо-електронна мікроскопія, хімічний кросс-лінкінг, а також рентгеноструктурний аналіз, фізичне розташування 5S рРНК в структурному контексті рибосоми було визначене з великою точністю. У бактерій та архей, велика рибосомна субодиниця складається з двох молекул РНК, 5S рРНК, а також іншої, більшої молекули РНК, відомої як 23S рРНК, які асоційовані з численними рибосомними білками. У еукаріотів, велика рибосомна субодиниця містить 5S, 5.8S та 28S рРНК, а також велику кількість молекул білків. Тривимірна будова великої субодиниці утворює відносно однорідну молекулярну поверхню, на якій виділяють три помітні топологічні елементи: протруберанець L1, центральний протруберанець, а також стебло L7/L12. Протруберанець L1 та стебло L7/L12 розташовані по боках центрального протруберанцю. 5S рРНК розташована в центральному протруберанці. Іншими складовими центрального протруберанцю є 23S рРНК (28S рРНК в еукаріотів) а також рибосомні білки L5, L18, L25, L27.

Функціональна роль в рибосомі

Функції 5S рРНК вивчені ще не повнівстю. В Escherichia coli, делеція генів 5S рРНК знижує швидкість біосинтезу білків а також має більш виражений загальний негативний вплив на функціонування бактеріальної клітини ніж аналогічні делеції ідентичної кількості генів 16S і 23S  рРНК. Кристалографічні дослідження вказують на те що 5S-рРНК-зв'язуючі білки а також інші білки у складі великого протруберанцю великої рибосомної субодиниці грають роль у взаємодії рибосоми з тРНК. Окрім цього, переплетення 5S рРНК і 23S рРНК, завдяки яким утворюються пептидилтрансферазний і ГТФазний сайти, свідчать про те що 5S рРНК діє як медіатор між двома функціональними сайтами рибосоми, приймаючи роль у взаємодії між двома рибосомними субодиницями і взаємодіях рибосоми з тРНК.

Роль в біогенезі рибосоми

У еукаріотів, цитоплазматичні рибосоми формуються з чотирьох рибосомних РНК та більш ніж 80 рибосомних білків. Після транскрипції, 3’ кінці 5S рРНК обробляються екзонуклеазами Rex1p, Rex2p, і Rex3p. Субодиниці 60S та 40S експортуються з ядра в цитоплазму, де процес формування трансляційно-компетентної 80S рибосоми завершується. Точний етап біогенезу рибосоми під час якого відбувається вбудовування 5S рРНК залишається невизначеними, але консесусною є точка зору, що 5S рРНК входить до складу 90S-частинки, яка є прекурсором 60S субодиниці; при цьому 5S рРНК існує у вигляді малого рибонуклеопротеїнового комплексу з рибосомним білком L5.

Взаємодія з білками

Білок La

Взаємодія між 5S рРНК і білком La захищає РНК від екзонуклеазної деградації в клітині. Білок La знайдений в ядрах всіх еукаріотичних організмів і асоціюється з декількома типами РНК які транскрибуються РНК-полімеразою III. Білок La взаємодіє з РНК (включаючи 5S рРНК) через 3’ олігоурідиновий фрагмент, сприяючи стабілізації РНК.

Рибосомний білок L5

В еукаріотичних клітинах, рибосомний білок L5 асоціюється з 5S рРНК, утворюючи стабільну прерибосомну рибонуклеопротеїнову частинку, яка детектується і в цитозолі, і в ядрі. Дефіцит L5 зашкоджає транспорту 5S рРНК в ядро і негативно впливає на процес збірки рибосом.

Інші рибосомні білки

У прокаріотів 5S рРНК взаємодіє з рибосомними білками L5, L18 і L25. В еукаріотів єдиним відомим партнером 5S рРНК є рибосомний білок L5. У T. brucei, що викликає сонну хворобу, 5S рРНК взаємодіє з двома спорідненими білками P34 та P37; втрата цих білків призводить до зменшення рівня 5S рРНК в клітині.

Альтернативні 5S рРНК в рибосомах органел

Консенсусні вторинні структурні моделі 5S рРНК. Показані структури РНК з бактерій, архей, та ядер еукаріотів (A); з пластид (B); з мітохондрій (C). Літери та кола позначають консервативні та варіабельні нуклеотидні позиції, відповідно.

Трансляційний апарат мітохондрій і пластид (органели ендосимбіотичного бактеріального походження), порівняно з трансляційним апаратом бактерій, має багато спільних рис, але одночасно з цим має і суттєві відмінності. Геноми всіх органел без виключень кодують велику і малу субодиниці рибосоми, в той же час розповсюдження гену 5S рРНК (rrn5) є менш універсальним у різних організмів. Rrn5 присутній у геномах всіх пластид. Мітохондріальний rrn5 є тільки у рослин і малої кількості протистів.

Порівняння класичної і альтернативної (бурі водорості) вторинних структур 5S рРНК.

Мітохондіральна 5S рРНК більшості гетероконтів демонструє широке розмаїття вторинних структур. Найбільш незвичною є мітохондріальна 5S рРНК з бурих водоростей, в якої закриваюча спіраль I, яка мала б поєднувати 5′ і 3′ кінці молекули, замінена на шпильку (малюнок).

Мітохондріальні геноми тварин, грибів, авльвеолобіонтів і евгленових не мають гену 5S рРНК. Центральний протруберанець в рибосомах цих організмів перебудований декількома способами. В грибних рибосомах, 5S рРНК замінена подовженою рРНК великої рибосомної субодиниці. В кінетопластидах, центральний протруберанець мітохондріальних рибосом сформований еволюційно новими рибосомними білками. Нарешті, мітохондріальні рибосоми тварин прилаштували спеціальну рибосомну тРНК на місце відсутньої 5S рРНК.

Див. також

• 50S рРНК
• Трансляція
• Рибосома

Посилання

1. 5S Ribosomal RNA Database. Nucleic Acids Res. Т. 30, № 1. January 2002. с. 176—8. doi:10.1093/nar/30.1.176. PMC 99124. PMID 11752286.
2. The 3D arrangement of the 23 S and 5 S rRNA in the Escherichia coli 50 S ribosomal subunit based on a cryo-electron microscopic reconstruction at 7.5 A resolution. J Mol Biol. Т. 298, № 1. 2000. с. 35—59. doi:10.1006/jmbi.2000.3635. PMID 10756104.
3. Kaczanowska, M; Rydén-Aulin, M (September 2007). Ribosome biogenesis and the translation process in Escherichia coli. Microbiology and molecular biology reviews. Т. 71, № 3. с. 477—494. doi:10.1128/MMBR.00013-07. PMID 17804668.
4. Ciganda, Martin; Williams, Noreen (July 2011). Eukaryotic 5S rRNA biogenesis. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA. Т. 2, № 4. с. 526. doi:10.1002/wrna.74.
5. Douet, J; Tourmente, S (Jul 2007). Transcription of the 5S rRNA heterochromatic genes is epigenetically controlled in Arabidopsis thaliana and Xenopus laevis. Heredity. Т. 99, № 1. с. 5—13. doi:10.1038/sj.hdy.6800964. PMID 17487217.
6. McBryant, SJ; Veldhoen, N; Gedulin, B; Leresche, A; Foster, MP; Wright, PE; Romaniuk, PJ; Gottesfeld, JM (1995). Interaction of the RNA binding fingers of Xenopus transcription factor IIIA with specific regions of 5 S ribosomal RNA. Journal of Molecular Biology. Т. 248, № 1. с. 44—57. doi:10.1006/jmbi.1995.0201. PMID 7731045.
7. Searles, MA; Lu D; Klug A (2000). The role of the central zinc fingers of transcription factor IIIA in binding to 5 S RNA. J Mol Biol. Т. 301, № 1. с. 47—60. doi:10.1006/jmbi.2000.3946. PMID 10926492.
8. Pelham, HRB; Brown DD (1980). A specific transcription factor that can bind either the 5S RNA gene or 5S RNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Т. 77, № 7. с. 4170—4174. doi:10.1073/pnas.77.7.4170. PMC 349792. PMID 7001457.
9. Sun, FJ; Caetano-Anollés, G (Nov 2009). The evolutionary history of the structure of 5S ribosomal RNA. Journal of Molecular Evolution. Т. 69, № 5. с. 430—43. doi:10.1007/s00239-009-9264-z. PMID 19639237.
10. DiNitto, JP; Huber, PW (23 жовтня 2001). A role for aromatic amino acids in the binding of Xenopus ribosomal protein L5 to 5S rRNA. Biochemistry. Т. 40, № 42. с. 12645—53. doi:10.1021/bi011439m. PMID 11601989.
11. The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 resolution. Science. Т. 289, № 5481. 2000. с. 905—20. doi:10.1126/science.289.5481.905. PMID 10937989.
12. Turowski, TW; Tollervey, D (2015). Cotranscriptional events in eukaryotic ribosome synthesis. Wiley interdisciplinary reviews. RNA. Т. 6, № 1. с. 129—139. doi:10.1002/wrna.1263. PMID 25176256.
13. Yusupova, G; Yusupov, M (February 2014). High-resolution structure of the eukaryotic 80S ribosome. Annual Review of Biochemistry. Т. 83. с. 467—486. doi:10.1146/annurev-biochem-060713-035445. PMID 24580643.
14. Gongadze, G. M. (7 січня 2012). 5S rRNA and ribosome. Biochemistry (Moscow). Т. 76, № 13. с. 1450—1464. doi:10.1134/S0006297911130062.
15. Ammons, D; Rampersad, J; Fox, GE (15 січня 1999). 5S rRNA gene deletions cause an unexpectedly high fitness loss in Escherichia coli. Nucleic Acids Research. Т. 27, № 2. с. 637—42. doi:10.1093/nar/27.2.637. PMC 148226. PMID 9862991.
16. Henras, AK; Soudet, J; Gérus, M; Lebaron, S; Caizergues-Ferrer, M; Mougin, A; Henry, Y (Aug 2008). The post-transcriptional steps of eukaryotic ribosome biogenesis. Cellular and molecular life sciences : CMLS. Т. 65, № 15. с. 2334—59. doi:10.1007/s00018-008-8027-0. PMID 18408888.
17. Wolin, SL; Cedervall, T (2002). The La protein. Annual Review of Biochemistry. Т. 71. с. 375—403. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150003. PMID 12045101.
18. Maraia, RJ; Intine, RV (2002). La protein and its associated small nuclear and nucleolar precursor RNAs. Gene expression. Т. 10, № 1-2. с. 41—57. PMID 11868987.
19. Moore PB (March 2001). The ribosome at atomic resolution. Biochemistry. Т. 40, № 11. с. 3243—50. doi:10.1021/bi0029402. PMID 11258942.
20. Bullerwell, CE; Schnare, MN; Gray, MW (March 2003). Discovery and characterization of Acanthamoeba castellanii mitochondrial 5S rRNA. RNA. Т. 9, № 3. с. 287—292. doi:10.1261/rna.2170803. PMID 12592002.
21. Bullerwell, CE; Burger, G; Gott, JM; Kourennaia, O; Schnare, MN; Gray, MW (May 2010). Abundant 5S rRNA-like transcripts encoded by the mitochondrial genome in Amoebozoa. Eukaryot Cell. Т. 9, № 5. с. 762—773. doi:10.1128/EC.00013-10. PMID 20304999.
22. Valach, M; Burger, G; Gray, MW; Lang, BF (Dec 2014). Widespread occurrence of organelle genome-encoded 5S rRNAs including permuted molecules. Nucleic Acids Res. Т. 42, № 22. с. 13764—13777. doi:10.1093/nar/gku1266. PMID 25429974.
23. Amunts, A; Brown, A; Bai, XC; Llácer, JL; Hussain, T; Emsley, P; Long, F; Murshudov, G; Scheres, SH (March 2014). Structure of the yeast mitochondrial large ribosomal subunit. Science. Т. 343, № 6178. с. 1485—1489. doi:10.1126/science.1249410. PMID 24675956.
24. Sharma, MR; Booth, TM; Simpson, L; Maslov, DA; Agrawal, RK (Jun 2009). Structure of a mitochondrial ribosome with minimal RNA. Proc Natl Acad Sci U S A. Т. 106, № 24. с. 9637—9642. doi:10.1073/pnas.0901631106. PMID 19497863.
25. Brown, A; Amunts, A; Bai, XC; Sugimoto, Y; Edwards, PC; Murshudov, G; Scheres, SH; Ramakrishnan, V (Nov 2014). Structure of the large ribosomal subunit from human mitochondria. Science. Т. 346, № 6210. с. 718—722. doi:10.1126/science.1258026. PMID 25278503.
26. Greber, BJ; Boehringer, D; Leibundgut, M; Bieri, P; Leitner, A; Schmitz, N; Aebersold, R; Ban, N (Nov 2014). The complete structure of the large subunit of the mammalian mitochondrial ribosome. Nature. Т. 515, № 7526. с. 283—286. doi:10.1038/nature13895. PMID 25271403.