Rola końców 5' mRNA i 5' U snRNA (tzw. struktur kapu) w regulacji ekspresji genu

Udział MMG kapu (m7GpppN) w tworzeniu rybosomalnego kompleksu inicjacyjnego 48S.
Kap rozpoznawany jest bezpośrednio przez eukariotyczny czynnik inicjacyjny 4E (eIF4E), który wiąże się z N-końcowym fragmentem wielofunkcyjnego białka eIF4G. Na C-końcu eIF4G znajduje się miejsce wiążące kinazę Mnk1 odpowiedzialną za fosforylację eIF4E na serynie 209. Aktywność eIF4E jest inhibowana poprzez ograniczenie jego dostępności dla eIF4G przez specyficzne białka 4E-BP (4E-Binding Proteins) blokujące miejsce wiążące eIF4G na zasadzie molekularnej mimikry. Białka 4E-BP podlegają własnej regulacji poprzez kaskadową hiperfosforylację. Czynnik eIF4G służy jako "rusztowanie", którego N-koniec oddziałuje z PABP (ang. PolyA Binding Protein), białkiem mającym powinowactwo do poliadenylowego odcinka na końcu 3' mRNA, co powoduje zbliżenie obu końców mRNA i utworzenie struktury zapętlonej. Środkowy odcinek eIF4G wiąże się z czynnikiem eIF3, a C-koniec z czynnikiem eIF4A, będącym helikazą zależną od ATP, odpowiedzialną za rozplątanie końca 5' mRNA nieulegającego translacji (5' UTR). W ten sposób preinicjacyjny kompleks rybosomalny 43S (tj. podjednostka rybosomalna 40S + metionylo-tRNA + eIF2 + eIF3) rozpoczyna scanningową migrację do kodonu inicjatorowego AUG.

Osoby zaangażowane w projekt
Joanna Kowalska
Marcin Warmiński

Słowa kluczowe

5' mRNA cap, (monometyloguanozyno kap; m7GpppG; MMG kap)
Eukariotic Initiation Factor 4E (eIF4E)
Cap Binding Complex (CBC)
m₃^2,2,7GpppN (trimetyloguanozyno kap; TMG kap)
U snRNA (małe jądrowe RNA)
Translacja
Splicing

Tematyka badań

Eukariotyczny mRNA posiada na swoim końcu 5' specyficzną strukturę, tzw. kap (ang. "cap"). Jest to 7-metyloguanozyna połączona nietypowym dla kwasów nukleinowych wiązaniem 5',5' trifosforanowym z następnym nukleozydem, który często jest zmetylowany na grupie 2'-hydroksylowej w pierścieniu rybofuranozowym. Strukturę tego kapu przedstawia się skrótowo jako m7GpppN lub MMG-kap (monometyloguanozyno kap). U nicieni, obok mRNA zakończonych MMG-kapem, znaczna część mRNA posiada na swoim końcu tzw. trimetyloguanozyno kap TMG-kap), w którym 5'-końcowym nukleozydem jest 2,2,7-trimetyloguanozyna (m₃^2,2,7GpppN). TMG-kap występuje również na końcach 5' większości małych jądrowych RNA bogatych w urydynę (U snRNA).

MMG-kap w mRNA pełni podstawową funkcję w procesie inicjacji biosyntezy białka (translacji). Rozpoznawany jest on przez eukariotyczny faktor białkowy eIF4E, co stanowi sygnał do utworzenia translacyjnego kompleksu inicjacyjnego, złożonego z mRNA, szeregu dodatkowych faktorów białkowych oraz małej podjednostki rybosomalnej 40S. MMG kap pełni też rolę stymulującą w procesie splicingu pre-mRNA.

Grupa zajmuje się syntezą zarówno naturalnych jak też zmodyfikowanych chemicznie analogów kapu oraz ich szerokim zastosowaniem w badaniach biochemicznych i biofizycznych nad molekularnymi mechanizmami regulacji ekspresji genu. Ukierunkowane modyfikacje chemiczne na obu zasadach nukleinowych, w pierścieniach cukrowych oraz w łańcuchu fosforanowym, dostarczyły ponad stu modelowych analogów, z których wiele wprowadzonych do systemu translacyjnego in vitro konkuruje z mRNA o miejsce wiązania przez eIF4E hamując w ten sposób proces biosyntezy białka. Badania inhibicji translacji przez analogi kapu pozwoliły na zdefiniowanie szeregu parametrów strukturalnych kapu odpowiedzialnych za wiązanie się z faktorem eIF4E. Jako pierwsi otrzymaliśmy na drodze syntetycznej m. in. TMG-kap (m₃^2,2,7GpppN) i jego analogi, które to związki przyczyniły się do ustalenia sygnalnej roli TMG-kapu w imporcie dojądrowym U snRNA, a także do odkrycia i wstępnej charakterystyki pięciu izoform faktora eIF4E w nicieniach C. elegans. Inne zastosowanie syntetycznych analogów MMG-kapu pozwoliło na pełniejszą identyfikację jądrowego kompleksu białkowego wiążącego kap (CBC) i wykazanie jego stymulującej roli w splicingu pre mRNA.