Transcript Świat RNA
Świat małych RNA www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.tt0210 Czym są małe RNA? •Małe RNA to populacja cząsteczek RNA o długości 21 to 24 nt, które generalnie powodują wyciszanie genów (gene silencing) •Małe RNA przyczyniają się do potranskrypcyjnego wyciszania genów (post-transcriptional gene silencing-PTGS) poprzez negatywne działanie na translację lub stabilność mRNA AAAAA •Małe RNA przyczyniają się do transkrypcyjnego wyciszania genów (transcriptional gene silencingTGS) poprzez epigenetyczne modyfikacje chromatyny RNA Pol Modyfikacje histonów, metylacja DNA Podstawa wyciszania przez RNA – białka Dicer i Argonaute Wyciszanie przez RNA opiera się na dwóch podstawowych reakcjach: a) Dwuniciowy RNA (dsRNA) jest rozcinany przez Dicer i jego homologi na krótkie dwuniciowe RNA. b) Te małe RNA asocjują następnie z białkami rodziny ARGONAUTE i powodują wyciszenie. AGO Silencing Dicer i białka podobne do Dicer W biogenezie siRNA i miRNA, Dicer lub białka podobne do Dicer (Dicer-like – DCL proteins) rozcinają dsRNA lub RNA ze spinką (hairpin) na fragmenty ~ 21 – 25 nt. Struktura Dicer’a pozwala mu „mierzyć” RNA, który rozcina. Podobnie jak kucharz szatkujący marchewkę, Dicer tnie RNA na równe fragmenty. From MacRae, I.J., Zhou, K., Li, F., Repic, A., Brooks, A.N., Cande, W.., Adams, P.D., and Doudna, J.A. (2006) Structural basis for double-stranded RNA processing by Dicer. Science 311: 195 -198. Reprinted with permission from AAAS. Photo credit: Heidi Białka Argonaute Białka ARGONAUTE wiążą małe RNA i ich cele Mutant Arabidopsis ago1 i ośmiornica Argonauta argo Białka ARGONAUTE nazwano tak ze względu na wygląd mutanta Arabidopsis argonaute1 ; ago1 ma promieniście rozłożone liście przez co przypomina ośmiornicę o nazwie Argonauta. Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: EMBO J. Bohmert, K., Camus, I., Bellini, C., Bouchez, D., Caboche, M., and Benning, C. (1998) AGO1 defines a novel locus of Arabidopsis controlling leaf development. EMBO J. 17: 170–180. Copyright 1998; Reprinted from Song, J.-J., Smith, S.K., Hannon, G.J., and Joshua-Tor, L. (2004) Crystal structure of Argonaute and its implications for RISC slicer activity. Science 305: 1434 – 1437. with permission of AAAS. Wyciszanie przez RNA – obraz ogólny siRNA- działa AGO poprzez potranskrypcyjne i transkrypcyjne wyciszanie genów AGO RNA Pol MicroRNA – działa poprzez wyciszanie mRNA i represję translacji MIR gene RNA Pol AGO AAAn AGO AGO AAAn AAAn mRNA RNA Pol siRNA – Ochrona genomu siRNA chronią genom poprzez: • Supresję atakujących komórkę wirusów • Wyciszanie źródeł wadliwych transkryptów • Wyciszanie transpozonów i elementów powtarzających się Oprócz tego, siRNA utrzymują niektóre geny w stanie epigenetycznie wyciszonym Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature. Lam, E., Kato , N., and Lawton, M. (2001) Programmed cell death, mitochondria and the plant hypersensitive response. Nature 411: 848-853. Copyright 2001. Wyciszanie genów indukowane przez wirusy – obraz ogólny Kodowana przez wirusa RNAzależna RNA polimeraza Wirusowy ssRNA Większość wirusów roślin to RNA wirusy, które replikują się poprzez dwuniciowe formy pośrednie. Wirusowy dsRNA Dwuniciowy RNA jest rozcinany przez DCL wytwarzając siRNA, które asocjują z AGO wyciszając replikację i ekspresję wirusa. AGO AGO Rośliny mogą obronić się przed infekcją wirusem i nabyć oporności Najmłodsze Najstarsze Inokulacja wirusem Młodsze liście wytwarzane przez roślinę zakażoną wirusem mogą być pozbawione infekcji, co wskazuje, że rosnąca roślina obroniła się przed infekcją. Małe RNA korelują z indukowanym przez infekcję wirusem wyciszeniem genów Mały RNA homologiczny do wirusowego RNA występuje w liściachinokulowanych i odległych młodych liściach (systemic leaf), ale nie w liściach inokulowanych roztworem bez wirusa (mock), Młody liść (syst.leaf) Dni po inokulacji Inokulowany liść From Ratcliff, F., Henderson, B.D., and Baulcombe, D.C. (1997) A similarity between viral defense and gene silencing in plants. Science 276: 1558–1560. Reprinted with permission from AAAS. Infekcja wirusem powoduje systemiczną akumulację siRNA Odległy liść Liść inokulowany Wyciszenie może się rozprzestrzeniać systemicznie poprzez floem Systemiczne wyciszenie Inokulowany liść Sygnałem systemicznym jest siRNA Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature Copyright 1997. Voinnet, O., and Baulcombe, D. (1997) Systemic silencing in gene silencing. Nature 389: 553. Mutanty w wytwarzaniu siRNA są bardziej podatne na infekcje wirusowe Dzikie rośliny Arabidopsis inokulowane TRV Podwójny mutant dcl2dcl4 inokulowany TRV Wyciszanie wirusa TRV w dzikich roślinach Arabidopsis zapobiega występowaniu symptomów choroby. Mutanty pozbawione aktywności Dicer są niezdolne do powstrzymania infekcji. From Deleris, A., Gallego-Bartolome, J., Bao, J., Kasschau, K., Carrington, J.C., and Voinnet, O. (2006) Hierarchical action and inhibition of plant dicer-like proteins in antiviral defense. Science 313: 68–71. Reprinted with permission from AAAS. Wirusy maja białka supresorowe, które zapobiegają wyciszeniu RNA RdRP Poprzez zakłócenie procesu wyciszania RNA wirusowe białka supresorowe zakłócają mechanizm obrony rośliny przed wirusami. Supresory mogą działać na każdym etapie wytwarzania i funkcjonowania siRNA. Małe RNA chronią także rośliny przed patogenami bakteryjnymi Rośliny dzikie (La-er) i mutanty w wytwarzaniu małych RNA (dcl1-9 and hen11) inokulowane bakteriami Pseudomonas. Reprinted from Navarro, L., Jay, F., Nomura, K., He, S.Y., and Voinnet, O. (2008) Suppression of the microRNA pathway by bacterial effector proteins. (2008) Science 321: 964-967. Reprinted with permission from AAAS. Wyciszanie indukowane przez wirusy - podsumowanie • Wyciszanie genów za pośrednictwem RNA jest ważnym narzędziem w obronie roślin przed patogenami. • siRNA zakłócają replikację wirusów. • siRNA działają systemicznie wspomagając obronę przed wirusami i oporność roślin. • Większość wirusów wytwarza białka supresorowe procesu wyciszania RNA. Białka te stanowią ważne narzędzie w badaniu szlaków wyciszania RNA. Wyciszanie transgenów • Transgeny wprowadzone do roślin są często wyciszane przez szlak siRNA. • Wyciszenie może być zaindukowane przez: • Bardzo wysoki poziom ekspresji • dsRNA pochdzące z transgenu • Nietypowe RNA kodowane przez transgen • Transgeny są wyciszane potranskrypcyjnie i transkrypcyjnie. Wyciszanie indukowane przez transgeny W latach 1980-tych opracowano metodę wprowadzania genów do genomów roślinnych za pomocą bakterii Agrobacterium tumefaciens. Wprowadzone geny noszą nazwe transgenów. Komórka roślinna Jądro DNA Agrobacterium tumefaciens na powierzchni komórki Photo credits: Martha Hawes, University of Arizona. Indukowane przez transgeny wyciszanie potranskrypcyjne Doświadczenia nad modyfikacją koloru kwiatów petuni dostarczyły pierwszych dowodów na wyciszanie RNA. Manipulacje ekspresją syntazy chalkonowej w celu modyfikacji pigmentacji kwiatów Syntaza chalkonow a (CHS) Dzika roślina petuni wytwarza purpurowe barwniki antocjanowe Syntaza chalkonowa (CHS) jest enzymem działającym na początku szlaku syntezy antocjanów Antocjany Photo credit Richard Jorgensen; Aksamit-Stachurska et al. BMC Biotechnology 2008 8:25 doi:10.1186/1472-6750-8-25 Spodziewane – produkcja sensownego RNA syntazy chalkonowej (CHS) zwiększy pigmentację... Gen własny Translacja białka mRNA PRO ORF Transgen Sense construct: PRO ORF mRNA Dodatkowa translacja białka Sensowny RNA mRNA mRNA ..a produkcja antysensownego RNA zablokuje pigmentację Translacja białka Gen wlasny mRNA PRO ORF Transgen Konstrukt sensowny: PRO mRNA Dodatkowa translacja białka Sensowny RNA ORF mRNA mRNA Transgen Konstrukt antysensowny: ORF PRO Antysensow ny RNA Tworzy się dupleks sens-antysens, który hamuje translację Nieoczekiwanie, zarówno antysensowny jak i sensowny konstrukt hamował wytwarzanie pigmentu Rośliny z transgenem CHS Sens OR CaMV 35S pro : CHS CaMV 35S pro : CHS Antysens Photo credit Richard Jorgensen Wyciszone tkanki nie wyrażają ani własnego ani wprowadzonego genu CHS Purpurow e kwiaty Białe kwiaty To zjawisko, w którym zarówno wprowadzony, jak i własny gen ulegają wyciszeniu, nazwano kosupresją. RNA transgenu RNA własnego genu Napoli, C., Lemieux, C., and Jorgensen, R. (1990) Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans. Plant Cell 2: 279–289. Kosupresja jest rezultatem wytwarzania siRNA Translacja białka Dzika mRNA PRO ORF mRNA Własny gen Transgeniczna z kosupresją PRO ORF Kosupresja Sens RNA Sense construct PRO Własny gen ORF siRNA jest wytwarzany mRNA De Paoli, E., Dorantes-Acosta, A., Zhai, J., Accerbi, M., Jeong, D.-H., Park, S., Meyers, B.C., Jorgensen, R.A., and Green, P.J. (2009). Distinct extremely abundant siRNAs associated with cosuppression in petunia. RNA 15: 1965–1970. Najsilniejszym induktorem wyciszania RNA jest dwuniciowy RNA, co wykazano w badaniach na C. elegans Sensowny, antysensowny i dwuniciowy RNA homologiczny do genu unc-22 wprowadzono do C. elegans. Wyciszenie unc-22 powoduje utrate kontroli nad mięśniami, stąd nazwa unc od ang.“uncoordinated”. Senowny RNA Antysensowny RNA Brak efektu Brak efektu Dwuniciowy RNA Nieskoordynowane skurcze Derived The Nobel Committee based on Fire, A. et al., (1998) Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391: 806-811. Transkrypcyjne wyciszanie genów Małe RNA mogą inicjować wyciszanie DNA poprzez kowalencyjne modyfikacje DNA lub zasocjowanych z nim histonów, zakłócając w ten sposób transkrypcję. Transkrypcja Białka histonowe DNA Wyciszanie Ta forma wyciszania występuje często na stabilnie wyciszonym DNA i dotyczy np. centromerów i transpozonów, ale niekiedy dotyczy także genów. Transkrypcyjne wyciszanie genów CaMV 35S pro : KAN Ekspresja genu, który niesie oporność na antybiotyk kanamycynę Transkrypcyjne wyciszanie genów ujawniły doświadczenia, w których do roślin poprzez krzyżówki genetyczne wprowadzono więcej niż jeden transgen. CaMV 35S pro : HYG Ekspresja genu, który niesie oporność na antybiotyk higromycynę Based on Matzke, M., Primig, M., Trnovsky, J., Matzke, A. (1989) Reversible methylation and inactivation of marker genes in sequentially transformed plants. EMBO J. 8: 643-649. siRNA mogą wskazywać DNA do wyciszenia poprzez metylację cytozyny lub za pośrednictwem enzymów modyfikujących histony NH2 N O NH2 CH3 N N ~ cytozyna O N ~ Dokładne mechanizmy, za pomocą których siRNA wskazują DNA do wyciszenia nie są znane, ale wiadomo, że wymagają działania dwóch specyficznych dla roślin kompleksów RNA-polimeraz: RNA Polimerazy IV (Pol IV) i RNA Polimerazy V (Pol V). 5-metylocytozyna DNA może być kowalencyjnie modyfikowany przez metylację cytozyny dokonywaną przez DNAmetylotransferazy . DNA methyltransferase Modyfikacja histonów Metylacja DNA Rośliny zawierają dodatkowe kompleksy RNA polimeraz, które biorą udział w wyciszaniu RNA RNA Polimeraza DNA Kompleks Występowanie Funkcja RNA Polimeraza I Wszystkie eukariota Produkcja rRNA RNA Polimeraza II Wszystkie eukariota Produkcja mRNA, microRNA RNA Polimeraza III Wszystkie eukariota Produkcja tRNA, 5S rRNA RNA Polimeraza IV Rośliny lądowe Produkcja siRNA RNA Polimeraza V Rośliny nasienne Rekrutacja AGO do DNA Większość siRNAs wytwarzana jest z transpozonów i powtarzalnego DNA Chromosom Centromer Ilość małych RNA Ilość transpozonów/ retrotranspozonó w Większość komórkowych siRNA pochodzi z transpozonów i innych powtarzalnych sekwencji. U Arabidopsis, (schemat powyżej) sekwencje te występują z wielką częstością w pericentromerycznych rejonach chromosomów. Kasschau, K.D., Fahlgren, N., Chapman, E.J., Sullivan, C.M., Cumbie, J.S., Givan, S.A., and Carrington, J.C. (2007) Genome-wide profiling and analysis of Arabidopsis siRNAs. PLoS Biol 5(3): e57. siRNA - podsumowanie Szlak siRNA wycisza obce DNA, transpozony i sekwencje powtarzalne. U roślin, siRNA są wytwarzane przez białka podobne do Dicer rozcinające dsRNA na 24 nt siRNA. siRNA asocjuja z białkami AGO, z którymi tworzą kompleksy wyciszające. Kompleksy wyciszające mogą działać potranskrypcyjnie na docelowe RNA, przecinając je lub zakłócając ich translację. Kompleksy wyciszające mogą również działać na chromatynę, wyciszając docelowe DNA przez metylację lub modyfikacje zasocjowanych z nim histonów. microRNA - miRNA • miRNA prawdopodobnie wyewoluowały z siRNA, oba te rodzaje małych RNA są wytwarzane i obrabiane w podobny sposób. • U roślin występuje niewielka liczba silnie konserwowanych miRNA oraz duża liczba nie konserwowanych miRNA. • miRNA są kodowane przez specyficzne geny MIR, ale same działają na inne geny – sa czynnikami regulatorowymi działającymi w trans. • U roślin miRNA regulują przede wszystkim rozwój i odpowiedzi fizjologiczne microRNA - miRNA microRNA przecinają mRNA lub zakłócają ich translację Gen MIR RNA Pol II AGO Zakłócanie translacji Przecina nie mRNA AAAn AGO AGO AAAn AAAn mRNA RNA Pol II miRNA i siRNA podlegają obróbce przez pokrewne, ale odmienne białka DCL AtDCL1 wytwarza miRNA AtDCL2 - 4 wytwarza siRNA W roślinach występuje 4 lub więcej białek DCL , więcej niż w jakichkolwiek innych organizmach. Zwiększona różnorodność i liczba białek DCL ma prawdopodobnie związek z rozbudowanym systemem ochrony przed patogenami . Reprinted from Margis, R., Fusaro, A.F., Smith, N.A., Curtin, S.J., Watson, J.M., Finnegan, E.J., and Waterhouse, P.M. (2006) The evolution and diversification of Dicers in plants FEBS Lett. 580: 2442-2450 with permission from Elsevier. miRNA i siRNA asocjują z kilkoma białkami AGO AGO1 AGO4 AGO1 preferencyjnie przecina sekwencje docelowe, asocjuje z miRNA, ale także z niektórymi siRNA AGO4 preferencyjnie asocjuje z siRNA i pośredniczy w metylalcji docelowego DNA. W Arabidopsis występuje 10 białek AGO. Nie są zbyt dobrze zcharakteryzowane. Ich funkcje częściowo się nakładają Reprinted from Vaucheret, H. (2008) Plant ARGONAUTES. Trends Plant Sci. 13: 350-358 with permission from Elsevier. Geny MIR są transkrybowane jako długie RNA, które są przekształcane w miRNA MIR gene •miRNA sa kodoane przez geny MIR •Pierwotny transkrypt miRNA (primiRNA) składa się w strukturę dwuniciową, która podlega obróbce przez DCL1 • Łańcuch miRNA* jest degradowany pri-miRNA 5' 3' 5' 3' miRNA Cel miRNA miRNA miRNA* Cele niektórych konserwowanych miRNA Rodzina genowa miRNA Cel (rodzina genów) Funkcja 156 Czynniki transkrypcyjne SPL Czas rozwoju 160 Czynniki transkrypcyjne ARF Odpowiedź na auksynę, rozwój 165 Czynniki transkrypcyjne HDZIPIII Rozwój, polarność 172 Czynniki transkrypcyjne AP2 Czas rozwoju, tożsamość organów kwiatowych 390 TAS3 (tasiRNA), działa na czynniki transkrypcyjne ARF Odpowiedź na auksynę, rozwój 395 Transporter siarczanów Pobieranie siarczanów 399 Ubikwitynacja białek Pobieranie fosforanu Adapted from Willmann, M.R., and Poethig, R.S. (2007) Conservation and evolution of miRNA regulatory programs in plant development. Curr. Opin. Plant Biol. 10: 503–511.. miRNA u roślin wykazują odległe podobieństwa do swoich celów Duplikakcja genu Uważa się, że miRNA u roślin powstały ze swoich sekwencji docelowych w wyniku duplikacji genów, odwróconej duplikacji i dywergencji. Tylko niektóre miRNA zapewniają przewagę selekcyjną i są zachowywane i duplikowane. Reprinted from Willmann, M.R., and Poethig, R.S. (2007) Conservation and evolution of miRNA regulatory programs in plant development. Curr. Opin. Plant Biol. 10: 503–511 with permission from Elsevier. tasiRNAs tasiRNAs – trans-acting siRNAS Kodowane przez geny TAS Obróbka pierwotnego transkryptu inicjowana przez miRNA TAS gene RNA Pol II tasiRNA są kodowane przez geny TAS transkrybowane przez RNA Pol II Transkrypt jest celem dla miRNA i zostaje rozcięty AGO RDR6 Rozcięty transkrypt jest kopiowany do dsRNA przez RNA zależną RNA polimerazę (RDR6) (dalszy ciąg na następnym przezroczu) Biogeneza tasiRNA dsRNA jest rozcinany przez DCL4 na serię krótszych dsRNA, uwalniając z jednego genu TAS wiele cząsteczek tasiRNA. Arabidopsis zawiera cztery rodziny genów TAS •Celami dla TAS1 i TAS2 tasiRNA sa geny kodujące białka z powtórzeniami pentapeptydowymi. •Celem dla TAS3 tasiRNA są czynniki transkrypcyjne ARF (auxin response factors). •Celem dla TAS4 tasiRNA sa czynniki transkrypcyjne MYB. Z każdego genu TAS powstaje szereg ‘przesuniętych w fazie’ tasiRNA Miejsce wycięcia miRNA w pierwotnym transkrypcie tasiRNA mogą być wytwarzane z dowolnej nici DCL4 porusza się wzdłuż RNA mierząc i rozcianając go. Reprinted from Allen, E., Xie, Z., Gustafson, A M., and Carrington, J.C. (2005) microRNA-directed phasing during trans-acting siRNA biogenesis in plants. Cell 121: 207-221, with permission from Elsevier. Mutacje wpływające na tasiRNA wpływają na przejście fazowe Mutacja rdr6-15 eliminuje wytwarzanie tasiRNA zip-1 eliminuje wytwarzanie TAS3 tasiRNA Obie mutacje oraz mutacje dcl4 i tas3, przyspieszają zmianę fazową Reprinted from Fahlgren, N., Montgomery, T.A., Howell, M.D., Allen, E., Dvorak, S.K., Alexander, A.L., and Carrington, J.C. (2006) Regulation of AUXIN RESPONSE FACTOR3 by TAS3 ta-siRNA affects developmental timing and patterning in Arabidopsis. Curr. Biol. 16: 939–944 with permission from Elsevier. nat-siRNAs Nat-siRNAs – Natural cis-acting siRNAs Wytwarzane z zachodzących na siebie transkryptów. Udział w adaptacji do stresów abiotycznych i biotycznych Zachodzące geny ds. RNA z komplementarnych transkryptów AGO Wyciszeni e AGO Redrawn from Katiyar-Agarwal, S., Morgan, R., Dahlbeck, D., Borsani, O., Villegas Jr. A., Zhu, J.-K., Staskawicz, B.J., and Jin, H. (2006) A pathogen-inducible endogenous siRNA in plant immunity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 18002–18007. Zastosowania technologii małych RNA DNA tworzące siRNA lub miRNA mogą być stabilnie wprowadzane do genomów roślin w celu selektywnego wyciszenia genów. Wyciszanie genów służy do eliminacji alergenów z orzeszków ziemnych. Kontrola szkodników Kontrola zainfekowana przez pasożytniczegio nicienia Oporność indukowana RNAi Wyciszanie genów służy do usuwania Rośliny wyrażające dsRNA szkodliwych związków z odpowiadające wybranym genom nasion bawełny, co nicienia sa odporne na infekcje. Wchlonietę przez nicienia dsRNA pozwala na ich indukuje wyciszenie jego genów. zastosowanie jako pokarmu.Huang, G., Allen, R., Davis, E.L., Baum, T.J., and Hussey, R.S. (2006) Engineering broad root-knot resistance in transgenic plants by RNAi silencing of a conserved and essential root-knot nematode parasitism gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 14302–14306. Podsumowanie Małe RNA biorą udział w regulacji aktywności i ochronie genomu; specyficzność ich działania wyciszającego opiera się na parowaniu zasad. Celami dla siRNA sa bogate w sekwnecje powtarzalne rejony heterochromatyny, transpozony, wirusy i inne patogeny. Celami dla miRNAs i tasiRNAs sa genby regulatorowe wpływające za czasowy i przestrzenny wzór rozwoju, homeostazę pokarmową i odpowiedzi na czynniki stresowe.