Что такое мрнк в биологии
Что такое мрнк в биологии
Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК) — РНК, отвечающая за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+)оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.
ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех.
Гипотеза о значении РНК в синтезе белков была высказана Торбьёрном Касперссоном (Torbjörn Caspersson) на основе исследований 1937—1939 гг., в результате которых было показано, что клетки, активно синтезирующие белок, содержат большое количество РНК. Подтверждение гипотезы было получено Юбером Шантренне (Hubert Chantrenne).
Содержание
«Жизненный цикл» мРНК
Транскрипция
Транскрипцией называют процесс копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК. Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой, строящей, согласно принципу комплементарности, копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Этот процесс как у эукариот, так и у прокариот организован одинаково. Основное различие между про- и эукариотами состоит в том, что у эукариот РНК-полимераза во время транскрипции ассоциируется с мРНК-обрабатывающими ферментами, поэтому у них обработка мРНК и транскрипция могут проходить одновременно. Короткоживущие необработанные или частично обработанные продукты транскрипции называются пред-мРНК; после полной обработки — зрелая мРНК.
Обработка эукариотической пред-мРНК
В то время как мРНК прокариот (бактерий и архей), за редкими исключениями, сразу готовы к трансляции и не требуют специальной обработки, эукариотические пре-мРНК требуют более интенсивной обработки. В процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются не кодирующие белок последовательности (интроны), на 5′ конец молекулы добавляется специальный модифицированный нуклеотид (кэп), на 3′ конец добавляются несколько аденинов, так называемый полиадениновый хвост. Кэп узнаётся факторами инициации, белками, отвечающими за присоединение к мРНК рибосомы, полиадениновый хвост связывается с со специальным белком. Обычно эти посттранскрипционные изменения мРНК эукариот обозначают термином «процессинг мРНК». Полиаденилирование необходимо для транспорта большинства мРНК в цитоплазму и защищает молекулы мРНК от быстрой деградации (увеличивает время их полужизни). Лишенные поли-А участка молекулы мРНК (например, вирусные) быстро разрушаются в цитоплазме клеток эукариот рибонуклеазами.
Сплайсинг
Транспорт
Трансляция
Поскольку прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция рибосомой может начаться немедленно после транскрипции. Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена с транскрипцией и происходит ко-транскрипционнно.
Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума. Таким образом, у эукариот трансляция не совмещена напрямую с транскрипцией.
Регуляция трансляции
Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции. У эукариот из-за необходимости в редактировании и транспорте мРНК ответ на внешние стимулы занимает больше времени. Поэтому их синтез белка интенсивно регулируется на посттранскрипционном уровне. Не всякая зрелая мРНК транслируется, поскольку в клетке существуют механизмы регуляции экспрессии белков на пост-транскрипционном уровне, например, РНК-интерференция.
Разрушение
Строение зрелой мРНК
Зрелая мРНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: «5′ кэп», 5′ нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3′ нетранслируемая область и 3′ полиадениновый «хвост».
5′ Кэп
5′ кэп (или кап) (от англ. cap — шапочка) — это модифицированный гуанидиновый нуклеотид, который добавляется на 5′ (передний) конец незрелой мРНК. Эта модификация очень важна для узнавания мРНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5’нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищённым 5′-концом.
Кодирующие области
Кодирующие области состоят из кодонов — следующих непосредственно друг за другом последовательностей из трёх нуклеотидов, каждая из которых соответствует в генетическом коде определённой аминокислоте или началу и концу синтеза белка. Кодирующие области начинаются со старт-кодона и заканчиваются одним из трёх стоп-кодонов. Считывание последовательности кодонов и сборка на её основе последовательности аминокислот синтезируемой молекулы белка осуществляется рибосомами при участии транспортных РНК в процессе трансляции. В дополнение к кодированию белков, части кодирующих областей могут служить управляющими последовательностями. Например, вторичная структура РНК в некоторых случаях определяет результат трансляции.
Моноцистронная и полицистронная мРНК
Нетранслируемые области
3′ полиадениновый хвост
Вторичная структура
Кроме первичной структуры (последовательности нуклеотидов), мРНК обладает вторичной структурой. В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).
Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел [7]
Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина, зависит от стебля-петли, расположенной в 3′ нетранслируемой области. Псевдоузлы служат для программированного изменения рамки считывания генов.
В вирусных мРНК сложные вторичные структуры (Инициация трансляции»).
Что такое мРНК? Как действует вакцина?
В гигантской пробирке, которая является нашим телом, некоторые из этих молекул имеют фундаментальное значение в том смысле, что они управляют всем этим механизмом. В частности, молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК.
ДНК? РНК? МРНК?
ДНК состоит из миллионов нуклеиновых оснований. Но если мы рассмотрим только определенные участки ДНК, состоящие всего из десяти или нескольких тысяч нуклеиновых оснований, мы получим ген. Ген кодирует (химически) отдельный белок. Все гены составляют ДНК.
Каждая клетка имеет свою собственную копию ДНК, но они не работают непосредственно с ней для производства белков, необходимых ей для функционирования. Для этого она проходит через промежуточную молекулу: рибонуклеиновую кислоту, или РНК.
Поэтому РНК является копией небольшой части ДНК, которая служит «рабочей копией» для клетки, когда она хочет синтезировать определенный белок.
Когда клетке нужно послать молекулу РНК от ядра к остальной части клетки, это все равно, что послать генетическое сообщение от одной части к другой: эта нить РНК называется «РНК посланника», или мРНК. Таким образом, ядро делегирует синтез некоторых белков другой части клетки с помощью мРНК.
Как только РНК (или мРНК) образуется, могут происходить химические реакции: РНК позволит синтезировать белки, полезные для клетки или организма, потому что в конечном итоге это и есть цель.
Краткое напоминание о том, как работает иммунная система перед лицом вируса.
Вирус, представляет собой кусок генетического материала (ДНК или РНК), защищенный белком, который служит ему мембраной. Вирус не может размножаться самостоятельно, и для этого ему нужна клетка-хозяин.
В первый раз, когда организм сталкивается с вирусом, он должен сделать антитела специфичными для белков этого вируса. Вирус является неприкасаемым до тех пор, пока организм не найдет подходящее антитело, немного похожее на то, когда вы ищете подходящий продукт для определенного вредителя (вы не избавитесь от крыс, улиток или колорадского жука картофеля, например, с теми же продуктами).
Вся эта операция требует времени для организма, и вирус может нанести большой ущерб за это время исследования.
Как только организм создал правильные антитела к присутствующему вирусу, они могут прикрепиться к поверхности вируса и действовать как маяки. Лимфоциты (белые кровяные тельца) будут нацелены на маяки и таким образом уничтожат вирус.
Если больной выздоравливает, значит, он победил вирус. Иммунная система хранит антитела, чтобы они были готовы к следующему столкновению с ними. Вот почему многие вирусные заболевания выявляются только один раз: впервые. В следующий раз организм уничтожает вирус до того, как заболеет, и вы даже не осознаете этого, все из-за этого эффекта памяти иммунной системы.
Как действует вакцина
Не все вакцины работают по одному и тому же принципу, но обычно это включает в себя предоставление пациенту ослабленной или неактивной версии вируса для тренировки организма. Организм насторожится (иногда с повышением температуры и усталостью), но это нормально и без риска: содержимое инъекции безвредно.
Идея в том, чтобы привлечь тело к созданию антител против вируса. Таким образом, когда последний действительно обнаруживается, вирус уничтожается непосредственно перед тем, как мы заболеем.
Некоторые вакцины вводят инактивированные вирусы (микробные частицы которые выращены в культуре, а затем были убиты при помощи метода термической обработки) напрямую.
В случае Covid-19 большинство вакцин работают с мРНК, которая работает несколько иначе.
Случай вакцины мРНК
Во время заражения вирусом нить генетического материала (РНК в случае SARS-CoV-2) попадает в клетку-хозяин, и именно хозяин позаботится о дублировании вируса. Затем вирус выделяется в организме в больших количествах.
Следует понимать, что инфицированная клетка будет использовать РНК вируса, как если бы она была собственной. Клетка разницы не видит. Хуже того: слишком занятая следованием инструкциям вируса, клетка забывает о своем нормальном функционировании и может погибнуть.
А как насчет вакцины мРНК?
В этих вакцинах мы вводим не весь вирус, а только часть РНК вируса. Эта РНК безвредна (не вызывает болезней), но она проникает в клетки и заставляет их производить белки.
Тогда именно эти белки станут мишенью для антител и иммунной системы.
Конечно, произведенный белок должен иметь ту же «подпись», что и сам вирус: таким образом, антитело против этого белка может быть использовано против настоящего вируса, и именно для этого и предназначена вакцина такого типа.
Цель всегда состоит в том, чтобы научить организм вырабатывать нужные антитела, но вместо того, чтобы напрямую вводить дезактивированную форму вируса, вы вводите только кусочек его РНК. Именно организм хозяина будет производить белки, которые необходимы иммунной системе.
Зачем вакцинировать как можно больше людей?
Если вакцинировано достаточное количество людей, вирус перестанет циркулировать, как только встретит вакцинированного человека, тем самым защитив всех.
Это происходит естественным образом, если иммунизируется достаточно большая часть населения (естественным путем или путем вакцинации). Для SARS-CoV-2 эта доля оценивается в 60% населения.
Поэтому достаточно было бы вакцинировать 2/3 населения, чтобы вирус значительно прекратил циркуляцию. В этом случае мы добились группового иммунитета: обеспечена защита всего населения в целом. Вакцинация оставшейся 1/3 людей остается полезной, поскольку позволяет защитить не только группу, но и отдельных лиц в случае нового контакта с болезнью.
Групповой иммунитет не подавляет вирус: он только мешает ему легко циркулировать. Индивидуальный иммунитет помогает подавить вирус на индивидуальном уровне.
Следовательно, в настоящее время важно быстро провести вакцинацию всего населения.
Заключение
Вакцина использует мРНК вируса: клетки организма будут использовать эту мРНК, как если бы она была собственной, и синтезировать белок, для которого эта мРНК кодирует.
Этот белок, хотя и вырабатывается клеткой хозяина и безвреден, остается белком, чуждым человеческому организму, и поэтому он будет нацелен на иммунную систему, у которой тогда будет достаточно времени, чтобы найти антитело, в то время как если он столкнется с реальным вирусом, последний может начать наносить ущерб в течение этого времени.
О чем вы много думали, но боялись узнать #2 — мРНК вакцина, выработка иммунитета, S-белок
как и прежде я постараюсь максимально точно раскрыть тему и ответить на интересующие вопросы;
в первую очередь я пишу о том, что мне наиболее инетересно и что я сам хочу глубже узнать, однако, если у вас есть интересные вопросы, то можете предлагать их мне для следующих частей;
прошу отнестись с пониманием, что я физически не могу отвечать на все вопросы в комментариях в малейших деталях;
я не привожу ссылок на источники (за исключением отдельных), так как все приведенные в моей статье сведения могут быть элементарно проверены;
в комментариях я также стараюсь не приводить ссылки, так как если человек интересуется, то найдет, а если он просто хочет докопаться, то его мои ссылки не устроят.
Начать я бы хотел с разъяснения некоторых основ биологии, которые помогут в понимании как мРНК вакцин, так и аденовирусных векторных вакцин, о которых я рассказывал раньше. Также меня резонно упрекнули в слишком сильном упрощении ДНК-РНК мира, и первой частью своего рассказа я исправляю данную неточность.
В начале 1950-х Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, которая и по сей день остается актуальной, но с некоторыми оговорками. Мы не будем вдаваться в частные случаи, которые не соответствуют центральной догме, а перейдем к общему описанию умозаключений Ф. Крика. Итак, в основе всей жизни на земле лежит информационный поток от ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция) (Рисунок 1a). Частным случаем является обратная транскрипция, при которой информация передается от РНК к ДНК. В эукариотах (к которым относятся животные и растения) обратная транскрипция наблюдается крайне редко и связана прежде всего с ретротранспозонами (генетическое наследие вирусов) и теломеразой (специальный фермент). Зато вирусы используют этот механизм для внедрения своего генетического кода в человеческую ДНК; но это относится никак не к аденовирусам, а к ретровирусам, самым известным представителем которых является ВИЧ. После трансляции белок еще не представлен в своей окончательной форме, а проходит ряд модификаций (одна из которых фолдинг), чтобы принять свою законченную форму. Также, белки часто представлены не отдельной структурой, а составляют целые комплексы со множеством взаимодействующих белков.
Рисунок 2. Разнообразие ДНК и РНК в человеческом организме
мРНК вакцина
А теперь зная о том, как же все-таки появляются белки, давайте посмотрим свежим взглядом на аденовирусные векторные вакцины, где с ДНК вируса считывается сначала РНК, кодирующая шип белок, а потом по шаблону этой РНК создается множество копий S-белка.
Рисунок 3. Действие мРНК вакцины
Липидные наночастицы должны быть стабильны до того момента, пока не проникнут внутрь клетки.
Внутри клетки наоборот они должны эффективно освобождать мРНК.
Липидные наночастицы должны быть устойчивы как к окислительным агентам и действию ферментов (нуклеазы).
мРНК должны быть стабильны при длительном хранении
мРНК должны произвести большое количество S-белка, прежде чем быть уничтожены внутри клетки.
Произведенный S-белок должен эффективно взаимодействовать с иммунной системой, предоставляя иммуной системе для запоминания «правильные» эпитопы (об этом будет дальше).
Выработка иммунитета
Так зачем же нужны две дозы вакцины, если клетки способны запоминать патогены? Особенность иммунной системы в том, что некоторые патогены наша иммунная система запоминает отлично, а вот другие плохо. Для того, чтобы усилить «иммунную память» и необходима вторая доза вакцины через определенный промежуток времени. При повторном попадании такого же или похожего патагена в организм (Рисунок 4.5) происходит активация уже существующих Т-хелперов памяти, Т-киллеров памяти и В-клеток памяти. При этом дополнительное усиление Т-хелперами памяти Т-киллеров и В-клеток. Таким образом, вызывается усиливающий каскад в иммунной системе, который мгновенно рекрутирует иммунную систему на противодействие (именно поэтому часто после второго укола наблюдается повышенная температура, головная боль и т.д.). При этом формируются более устойчивые клетки памяти.
S-белок
Рисунок 6. Взаимодействие антитела и эпитопа S-белка
Так вот коронавирус использует S-белок для связывания с рецептором клетки и проникновения внутрь; без него вирус просто не сможет проникнуть внутрь клетки. И одной из важнейших компонентой этого механизма является RBD-домен, который распознает АСЕ2 рецептор и инициирует процесс проникновения внутрь клетки. Если заблокировать данный домен антителами, которые вырабатывают упомянутые выше плазматические клетки, то вирус перестанет распространяться. Чтобы понять, как работает блокирование S-белка антителами давайте обратимся к Рисунку 6. На нем изображен тримерный S-белок и антитела, которые к нему прикрепились. Нейтрализующие антитела содежат два конца, которыми они могут прикрепляться к патогену и блокировать его. Участок, который находится на патогене и опознается антителами называется эпитоп; участки на концах антитела, которые опознают патоген называются паратопами. Если мы идем в микромир клеток и белков, то очевидные нам явления и обычная житейская логика перестают существовать. Этот мир подчиняется законам, где даже слабые водородные и электростатические силы начинают играть роль. Кстати, а хотите статью, в которой бы рассказывалось об особенностях существования микромира клетки?
В статье Effects of common mutations in the SARS-CoV-2 Spike RBD domain and its ligand the human ACE2 receptor on binding affinity and kinetics было определено, что мутации в RBD-домене N501Y и S477N повышают трансмиссивность вируса, мутации K417N/T в том же домене усиливают способность избегать иммуную систему, а мутация E484K приводит и к тому и к другому. В той же статье была оценена способность вируса заражать клетки. При оценке способности вируса заражать клетки оценивается возможность S-белка взаимодействовать с АСЕ2 рецептором, которая определяется константой диссоциации. Константа диссоциации (Kd) в биохимии это специфическая константа равновесия, которая определяет возможность крупного объекта разделиться (обратимо) на более мелкие объекты. Так вот, для немутировавшего RBD-домена Kd = 74.4 нМ (наномолей), для мутации N501Y Kd = 7.0 нМ, т.е. при такой мутации RBD-домен S-белка в 10.5 раз сильнее связывается с АСЕ2 рецептором. Для бразильского штамма (E484K/N501Y) эта константа составляет 5.1 нМ, т.е. в 14.5 раза сильнее. В то время как мутация K417N увеличивает константу диссоциации до 364 нМ.
Универсальная вакцина
Так все же, мы теперь будем вынуждены вечно колоть себе вакцину от возникающих новых штаммов, когда провалим вакцинацию всего населения Земли? У меня есть надежда, что нет. Еще в 2017 году ученые начали разработку универсальной вакцины от коронавирусов (да-да, не одного а многих), но из-за нехватики финансирования работы шли медленно. И вот глобальная пандемия помогла толкнуть эти разработки но новый уровень. На данный момент прорабатываются многие варианты для борьбы с коронавирусами.
Одной из многообещающих вакцин является вакцина, содержащая S-белки с разными RBD-доменами (как мы помним NTD-домены не подходят на эту роль из-за их мутационной изменчивости) к наиболее опасным/новым штаммам вируса, а также к другим представителям семейства коронавирусов (MERS-CoV и SARS-CoV-1). Полагаю, что развитие компьютерного моделирования взаимодействия между S-белком и АСЕ2 рецептором поможет предугадать и предсказать новые потенциально опасные мутации RBD-домена. И можно будет действовать на опережение. Опять же разные S-белки в вакцине смогут помочь выработать иммунитет к мутациям коронавируса. мРНК вакцины отлично подходят для такого применения из-за их сравнительно нетрудозатрадной перестройке под другую мРНК.
Очень обещающей может быть вакцина с одним универсальным эпитопом или RBD-доменом, которая покроет целое семейство коронавирусов. Разработки в этой области идут и, возможно, через какое-то время свет увидит пан-коронавирусная вакцина, которая защитит не только от SARS-CoV-2, но и от MERS-CoV и SARS-CoV-1.
До сих пор не было создано никакого специфического лечения от коронавирусной инфекции, а все медицинские манипуляции сводились только к поддерживающей терапии. Однако, потенциальным лечением (хоть и дорогим пока что) является лечение нейтрализующими антителами. Да, такими же точно антителами, которые производят наши плазматические клетки. Все отличие заключается в том, что можно заранее создать достаточный объем нейтрализующих антител (которые спроектированы для блокирования S-белка коронавируса) и доставить их в организм для борьбы с коронавирусом, а не ждать пока иммунная система распознает патоген и начнет производить собственные. На данный момент было показано, что применение нейтрализующих антител на ранних стадиях развития заболевания приводит к более легкому течению болезни, в то время как применение антител на поздних стадиях заболевания не принесло сколь бы то ни было статистически значимого улучшения. Нейтрализующие антитела также можно спроектировать для определения заранее заданного RBD-домена.
Это продолжение моего рассказа, в котором я вас знакомлю с вакцинами против коронавируса и их механизмами действия. В ней я погружаюсь глубже в недра молекулярной биологии, чтобы познакомить вас с центральной догмой, а также со структурой S-белка и его взаимодействием с антителами. Ну и напоследок мы немного пофантазируем на тему создания универсальной вакцины.