Heterogenost in funkcionalna specializacija ribosomov

From Wiki FKKT
Jump to navigationJump to search

Uvod

Ribosom je makromolekularni kompleks, sestavljen iz več podenot. Ima ključno vlogo pri translaciji mRNA v proteine, kar je natančno reguliran proces. Ribosomi so dolgo časa veljali za pasivne izvajalce translacije, vendar je odkritje strukturno različnih ribosomov znotraj iste celične populacije sprožilo vprašanja o funkcionalnih posledicah te heterogenosti ter možnosti obstoja dodatnih plasti regulacije translacije. Vendar pa heterogenost ne pomeni nujno tudi njihove specializacije. Specializirani ribosomi so definirani kot ribosomi s specifičnimi strukturnimi značilnostmi, ki omogočajo drugačen vpliv na translacijo določenih mRNA, pogosto kot odziv na zunanje stresne dejavnike. Čeprav je bilo zabeleženih veliko primerov ribosomske heterogenosti, ostaja eksperimentalnih dokazov za funkcionalno specializacijo razmeroma malo. Težava je namreč v opredeljevanju specializacije, ker odpira številna metodološka in konceptualna vprašanja. Za razumevanje prehoda od heterogenosti k specializaciji ribosomov je ključno razjasniti njihov evolucijski izvor, mehanizme regulacije ter vpliv okoljskih dejavnikov. Intracelularna heterogenost se nanaša na razmerje med kanoničnimi in heterogenimi ribosomi znotraj ene celice ali celic istega tipa pri določenih pogojih in kako se to razmerje spreminja kot odgovor na spremembo pogojev, kot so oksidativni stres, virusne okužbe, abiotski stres ali staranje. Ob tem se pojavljajo tudi vprašanja, kot na primer, ali obstaja prag, pri katerem heterogeni ribosomi pridobijo lastnosti specializiranih, in ali je specializacija sorazmerna z razmerjem med kanoničnimi in heterogenimi ribosomi. Intercelularna heterogenost pa se prav tako nanaša na razmerje med kanoničnimi in heterogenimi ribosomi, vendar med različnimi celicami in tkivi. Je bolj kompleksna oblika heterogenosti, saj je opazovana v različnih tipih tkiv pod različnimi pogoji [1].

Heterogenost ribosomov

Evkariontski ribosom je velik in kompleksno zgrajen stroj, ki ga sestavljajo rRNA in ribosomski proteini (RP-ji). Biogeneza ribosomov, ki poteka v jedrcu in citoplazmi, vključuje vrsto natančno koordiniranih procesov, kar omogoča nastanek raznolikih ribosomov [1,2].
Variacije v sestavi vključujejo:

  • paraloge ribosomskih proteinov,
  • različne ribosomske proteine
  • spremenjeno stehiometrijo/nestandardna razmerja ribosomskih proteinov,
  • posttranslacijske modifikacije ribosomskih proteinov,
  • različne tipe rRNA,
  • modifikacije rRNA,
  • različne z ribosomi asociirani proteine.

Heterogenost v sestavi ribosomov vpliva na interakcije s specifičnimi značilnostmi na mRNA, kot so cis-aktivni elementi, npr. 5'-UTR regije, notranja vezavna mesta za ribosome (IRES) ali modifikacije RNA. Poleg tega imajo lahko določeni RP-ji tudi dodatno vlogo pri vezavi regulatorjev translacije ali RNA-vezavnih proteinov, ki lahko vplivajo na mRNA-ribosomske interakcije ter posledično spodbujajo oz. zavirajo iniciacijo translacije. Heterogeni ribosomi tako raje 'izbirajo' določene mRNA in jih bolj ali manj učinkovito prevedejo v proteine. Pomembno je ponoviti, da heterogenost sestave ribosomov sicer omogoča specializacijo in je zanjo tudi nujna, a sama prisotnost heterogenosti, še ne zagotavlja specializacije [1,2].

Tipi ribosomske RNA

Najbolj znani primer heterogenosti na ravni rRNA izvira iz plazmodija (parazita, ki povzroča malarijo), ki izraža tri različne oblike rRNA glede na različne faze življenjskega cikla, v katerem se nahaja. Plazmodij se od ostalih evkariontov razlikuje po tem, da namesto več 100 tandemskih ponovitev rDNA, vsebuje le 4-8 enojnih kopij rDNA, ki so razporejene po več različnih kromosomih. Tako obstaja več različnih vrst genov, ki so strukturno specifični, kar plazmodiju omogoča tvorbo po sestavi različnih ribosomov in posledično boljšo prilagoditev na različne gostitelje [2].

Modifikacije ribosomske RNA

Najpogostejši modifikaciji sta 2’-O-metilacija (metilacija riboze) in psevdouridinilacija (izomerizacija uridina v psevdouridin), ki jih usmerjajo snoRNA. Večinoma so modifikacije skoncentrirane v ohranjenih regijah, kar nakazuje pomembno vlogo pri vzdrževanju strukture in funkcije ribosoma. Rezultati študij namreč kažejo, da je spremenjen vzorec modifikacij povzročil vgrajevanje napačnih aminokislin, prizadeto translacijo preko IRES-ov (notranjih vstopnih mest za ribosome) in pogostejših premikov bralnih okvirjev. Skupno to predstavlja zmanjšano stopnjo natančnosti ribosomov pri translaciji [2].

Mehanizmi regulacije

Regulacija prek specifične asociacije specializiranega ribosoma in uORF

Več kot polovica vseh mRNA v rastlinah in živalih vsebuje navzgor od glavnega odprtega bralnega okvirja (ORF) prisotne ORF, ki nadzorujejo translacijo glavnega ORF te mRNA. To so kratki ORF, ki lahko sodelujejo kot senzorji metabolitov, upočasnjevalci translacije ali promotorji prekinitve translacije. Lahko je prisotna dodatna afiniteta za določene ORF ali pa počasnejše branje zaradi modifikacije ribosoma pripelje do boljšega prepoznavanja terminacijskih regij na ORF. Celoten mehanizem torej sila spominja na atenuacijo prepisovanja mRNA [1]. Specializirani ribosomi se lahko različno odzovejo na te ORF in tako dodatno regulirajo transkripcijo. Najbolj raziskan primer take interakcije je pri herpesvirusu povezanim s Kaposijevem sarkomom, ki povzroča večjo asociacijo BUD23 z ribosomom, ki v pozni litični fazi promovira nastanek strukturnih proteinov virusa, ravno zaradi predvidenih interakcij med BUD23 in navzgorležečimi ORF [3]. Prav virusi so zaradi odvisnosti od translacijski sposobnosti njihovega gostitelja dobra tarča za raziskovanje specializiranih ribosomov. Potrebujejo namreč mehanizme, da zagotovijo, da translacija njihovih mRNA prevladuje nad gostiteljskimi. Prek direktnih modifikacij RP-jev ali vključitvijo paralog RP-jev lahko virusi zagotovijo preferenčno translacijo transkriptov brez m7G kape, ki vsebujejo interna mesta za vstop ribosomov (IRES) [1].

Stehiometrija ribosomskih proteinov

Desetletja je veljalo, da imajo ribosomi stalno in natančno določeno stehiometrijo ribosomskih proteinov (RP), kar pomeni, da so vsi ribosomi sestavljeni iz enakih količin istih proteinov. Vendar so sodobne kvantitativne metode, ki omogočajo natančno merjenje ravni posameznih RP pokazale, da v resnici obstaja raznolikost v njihovi stehiometriji. Ta spremenljiva stehiometrija RP odraža ribosomsko heterogenost znotraj celic in lahko vpliva na razmerje med hitrostjo iniciacije in elongacije translacije [4]. Ribosomi, katerih sestava omogoča višje razmerje med hitrostjo iniciacije in elongacije, so učinkovitejši pri prevajanju mRNA. Pogosteje jih najdemo v polisomih, kjer več ribosomov hkrati prevaja isto mRNA. Nasprotno pa ribosomi z drugačno stehiometrijo RP omogočajo nižjo stopnjo iniciacije in se pogosteje pojavljajo kot monosomi – posamezni ribosomi, vezani na mRNA. Ti podatki dokazujejo, da sestava ribosoma pomembno vpliva na mehanizem in učinkovitost translacije ter določa, ali se ribosom nahaja v polisomu ali kot monosom [4].

Iniciacijski faktorji

Iniciacija translacije predstavlja ključen korak v procesu izražanja genov. Vključuje številne iniciacijske faktorje, ki sodelujejo pri rekrutaciji ribosoma in prepoznavanju začetnega kodona na mRNA. Pri evkariontih ti iniciacijski faktorji pogosto obstajajo v obliki paralogov ali izoform, ki imajo lahko različno afiniteto do specifičnih mRNA in tako vplivajo na učinkovitost in specifičnost translacije. S tem postaja razumevanje regulacije translacije bolj kompleksno, saj poleg že znane variabilnosti v sestavi RP in njenega vpliva na hitrost in selektivnost translacije, translacijo regulira tudi heterogenost iniciacijskih faktorjev [1]. Primer tega so različni paralogi iniciacijskega faktorja eIF4G, ki je del kompleksa iniciacijskih faktorjev eIF4F, odgovornega za vezavo na m7G kapo mRNA. Poseben je eIF4G2, ki lahko povzroča t.i. 'leaky scanning' preko uORF ali pa omogoča ponovno iniciacijo na glavnih kodirajočih zaporedjih, s čimer vpliva na to, kateri ORF se prevajajo [1]. Te ugotovitve kažejo na nove koncepte specializacije in odpirajo vprašanja, ali ribosomska heterogenost in heterogenost iniciacijskih faktorjev mehanistično delujeta povezano. Možna orodja za raziskovanje teh povezav vključujejo XL-MS (angl. cross-linking mass spectroscopy), kar bi prispevalo k boljšemu razumevanju, ali heterogenost translacijskega aparata vodi do funkcionalno specializiranih ribosomov [1].

rancRNA

Poleg neposrednih interakcij med proteini, ribosomi sodelujejo tudi s skupino nekodirajočih RNA (ncRNA), ki jih imenujemo z ribosomom asociirane ncRNA (rancRNA). V zadnjem letu so te molekule postale prepoznane kot pomembni modulatorji translacije v vseh domenah življenja – bakterijah, arhejah, evkariontih. Mnoge rancRNA so produkti obdelave večjih funkcionalnih RNA, kot so mRNA, tRNA ali snoRNA. Glede na nastanek, dolžino in način delovanja predstavljajo zelo raznoliko skupino molekul. Čeprav same ne služijo kot načrt za izdelavo proteinov, imajo sposobnost vplivanja na učinkovitost ali specifičnost translacije proteinov ob interakciji z ribosomi. Medtem ko nekatere zavirajo biosintezo proteinov na fazi iniciacije ali elongacije s tekmovanjem s tRNA ali mRNA za vezavo na ribosome, druge celo spodbujajo translacijo. Kljub številnim razlikam med molekulami rancRNA se domneva, da vse služijo istemu namenu: pomagati celicam, da na hiter in energetsko ugoden način premagajo stresne pogoje. Že pridobljeno znanje odpira nova vprašanja o mehanizmu delovanja rancRNA, ki trenutno še ni podrobno opisan. Prav tako pa v tem trenutku še ni jasno, ali oz. kako se regulira izražanje rancRNA na ravni transkripcije ali posttranslacijskh modifikacij ter kakšna je vloga proteinov, ki se vežejo nanjo [1,5].

Izzivi v preiskovanju specializiranih ribosomov

Kljub nekaterim že odkritim mehanizmom delovanja specializiranih ribosomov, je ta svet še vedno zelo neraziskan. Razlog predvsem izvira iz omejitev, ki karakterizirajo metode, s katerimi preiskujemo ribosome in njihovo delovanje. Poglavitna težava, s katero se soočajo raziskovalci, je majhna populacija specializiranih ribosomov v celici. Specializiranih ribosomov ne moremo preprosto proizvesti, saj modelne celice, ki jih gojimo in vitro rastejo prehitro in prioritizirajo masovno biogenezo ribosomov, kot pa počasno tvorbo diferenciiranih ribosomskih populacij. Primerne metode so zato tiste, ki so dovolj občutljive, da z njimi analiziramo le nekaj delcev kot so krioelektronska mikroskopija, merjenje resonančnega prenosa energije preko fluorescence in mikroskopiranje na atomsko silo. Predvsem oviro predstavlja, da preiskujemo izjemno male spremembe v zelo veliki strukturi, torej moramo uporabljati metode s primerno ločljivostjo. Menjava paralogov ribosomskega proteina, še posebej če se ta razlikujeta le v neki fleksibilni regiji, nam zelo oteži povezavo strukture in funkcije ribosoma. Dodatna prepreka je centralen pomen ribosomov pri življenju celice, torej lahko uporaba drugačne ekspresije gena za ribosomski protein, recimo izbitje gena, vodi do fenotipa, ki sploh ni primerljiv s fiziološkim stanjem, saj se spremeni globalna raven translacije. Težave in prepreke nastajajo tudi v preiskovanju rRNA, navadno uporabljamo metodo sekvenciranja preko nanopor, a ta večkrat ni dovolj natančna, da zazna majhne spremembe v modifikacijah, kot so metilacije. Vse te strukturne podatke je težko povezati s funkcijo, saj se z ribosomom asociira toliko različnih molekul, hkrati pa je izolacija asociiranih kompleksov zelo zahtevna [1].

Zaključek

Specializirani ribosomi, kljub dokazom o njihovi heterogenosti, še vedno predstavljajo izziv za raziskave zaradi metodoloških omejitev. Njihova vloga v translacijski regulaciji, odzivu na stres in patogene procese jih naredi ključne za razumevanje celičnih mehanizmov in razvoj terapij. Nadaljnje študije bodo zahtevale inovativne metode, da razrešijo vprašanja o njihovi specializaciji. Raziskave ne bodo le razširile znanja, temveč tudi spodbudile napredek v analiznih tehnikah, kar bo koristilo tako osnovni znanosti kot aplikativnim področjem [1].

Viri

1. Beavan, A. J. S. et al. Specialized ribosomes: integrating new insights and current challenges. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 380, 20230377 (2025).
2. Guo, H. Specialized ribosomes and the control of translation. Biochem. Soc. Trans. 46, 855–869 (2018).
3. Baxter, M. et al. Cardiac mitochondrial function depends on BUD23 mediated ribosome programming. eLife 9, e50705 (2020).
4. Slavov, N., Semrau, S., Airoldi, E., Budnik, B. & van Oudenaarden, A. Differential Stoichiometry among Core Ribosomal Proteins. Cell Rep. 13, 865–873 (2015).
5. Pecoraro, V., Rosina, A. & Polacek, N. Ribosome-Associated ncRNAs (rancRNAs) Adjust Translation and Shape Proteomes. Non-Coding RNA 8, 22 (2022).