Стабилизация мРНК злаков in vitro под влиянием кремния

Показано, что 3'-нетранслируемая область (3'-UTR) мРНК рецептора трансферина человека обеспечивает зависимый от железа контроль стабильности этой мРНК. Делеционные эксперименты позволили идентифицировать фрагменты длиной в 678 нуклеотидов в ДНК, комплементарной мРНК для рецептора, которые определяют стабильность мРНК. Внутри этого фрагмента располагается пять структур «стебель-петля», дестабилизирующие эту мРНК в присутствии избытка ионов железа.

Сходным образом регулируется трансляция мРНК синтетазы д-аминолевулиновой кислоты и субъединицы b-сукцинатдегидрогеназы позвоночных животных. Но, в этом случае, уже 5'-UTR мРНК белков содержат регуляторный элемент IRE (iron-regulatory element), с которым взаимодействует белок IRP (iron-regulatory protein), акцептирующий ионы железа. В отсутствие железа IRP связывается с IRE и блокирует трансляцию мРНК. Сродство IRP к IRE понижается в 50-100 раз, если он находится в комплексе с ионами железа. Этого оказывается достаточно для вовлечения соответствующих мРНК в трансляцию.

И наоборот, катионы Mg++ стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК эукариот, через усиление прочности определённых структур, с которыми связываются белки, определяющие деаденилирование молекулы мРНК. Известно, что AU-богатые области на 3'-конце молекулы мРНК, предшествующие терминальной поли-(А)-последовательности и определяющие скорость её деаденилирования, содержат структуры в виде шпилек, устойчивость которых зависит от наличия и количества катионов магния [29]. Вероятно, этим и объясняется обратная зависимость степени полиаденилирования мРНК от количества катионов магния.

Возможно, стабилизация мРНК вызывает ускорение обмена рРНК, что необходимо для эффективного функционирования рибосом. В пользу этого предположения свидетельствуют литературные данные о том, что в опухолевых клетках животных мРНК имеет большее время полужизни по сравнению с таковой нормальных клеток, но рРНК опухолевых клеток содержит на 30-50 % меньше магния и имеет меньшее время полужизни: оборот рибосом возрастает с 2,4% в сутки до 3,1-3,6% у пациентов с онкологическими заболеваниями [29].

Эти теоретические положения об участии катионов магния в регуляции стабильности РНК объясняют разницу в молекулярных механизмах формирования морозоустойчивости и являются основой простых лабораторных методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы [25, 27] и озимого ячменя [28].

Многостороннее, многофункциональное участие кремния в биологических процессах растений in vivo и стабилизация мРНК злаков при контакте с кремнием (SiO2) in vitro, описанное в настоящей статье, свидетельствует о больших возможностях посттранскрипционных кремний-зависимых процессов регуляции экспрессии генов. Эта малоисследованная область, несомненно, интересна как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Литература

1) Алёшин Н.Е., Авакян Э.Р. К вопросу о кремниевом обмене риса // Бюлл. НТИ ВНИИ риса, Краснодар, 1978, вып. 26, с. 16-20.

2) Алёшин Н.Е. Кремниевое питание риса // С.-х. за рубежом. Растениеводство, 1982, № 6, с. 9-14.

3) Алёшин Н.Е., Авакян Э.Р., Алёшин Е.П. Содержание кремния в РНК риса // Докл. ВАСХНИЛ, 1982, № 6, с. 6-7.

4) Алёшин Н.Е. О биологической роли кремния у риса // Вестник с.-х. науки,1988, № 10, с. 77-85.

5) Богатырев В.А., Дыкман Л.А., Хлебцов Б.Н., Плотников В.К., Хлебцов Н.Г. Оптические свойства конъюгатов коллоидного золота с олиготимидином и их изменение при реакции гибридизации с полиадениловой кислотой // Коллоидный журнал, 2005, Т.67, №4, с. 458-468.

6) Воронков М. Г., Зелчан Г. И., Лукевиц Э. Я. Кремний и жизнь. Биохимия, токсикология и фармакология соединений кремния. Изд. 2-е, перераб.и доп. Рига: Зинатне, 1978,588 с.

7) Воронков М.Г. Кузнецов И.Г. Удивительные элементы жизни, Иркутск, 1983, 107 с.

8) Воронков М.Г. Кузнецов И.Г. Кремний в живой природе, Новосибирск: Наука,1984, 155 с.

9) Воронков М.Г., Барышок В.П. Силатраны в медицине и сельском хозяйстве, Новосибирск: Изд. СО РАН, 2005, 258 с.

10) Глазко В.И., Белопухов С.Л. Нанотехнологии и наноматериалы в сельском хозяйстве, Москва: Изд.РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2008, 227с.

11) Гордова В.С., Сапожников С.П., Сергеев В.Е., Карышев П.Б. Основы биосилификации // Вестник Чувашского университета, 2013, №3, с. 401-409.

12) Кисберри Н.А., Япп С.В., Идрис А. Мезопористые кремниевые наночастицы как платформа для доставки нуклеиновых кислот внутрь клетки // Биохимия, 2017, т.82, в. 6, с. 873-882.

13) Клещенко Е., Две дамы, ДНК и мышьяк // Химия и жизнь, 2012, 3 3, с.7-10.

14) Колесников М.П. Формы кремния в растениях // Успехи биологической химии, 2001, т.41, с. 301-332.

15) Курсанов А.Л. Учёный и аудитория. М.; Наука, 1982, 273 с.

16) Мюллер С.(п/р) Нуклеиновые кислоты от А до Я, Москва, БИНОМ, Лаборатория знаний, 2013, 413 с.

17) Насонов А.И., Полежаев С.Л., Радуль А.П., Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Взаимосвязь содержания катионов магния (Mg++), стабильности РНК и интенсивности метаболизма в клетках эукариот // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2008, 2(11), с.104-110.

18) Ненько Н.И., Плотников В.К., Кузембаева Н.А., Гаража В.Н., Суркова Е.В., Насонов А.И., Поспелова Ю.С., Малюга Н.Г. Влияние препарата фуролан на физиолого-биохимические характеристики созревающего зерна озимой пшеницы // Прикладная биохимия и микробиология, 2007, №6,с. 715-721.

19) Плотников В.К. Стабильность мРНК как фактор регуляции экспрессии генов в клетках эукариот // Успехи современной биологии, 1992, т. 112, вып. 2, с. 186-199.

20) Плотников В.К., Бакалдина Н.Б., Бибишев В.А. Российский патент № 2084133 на изобретение «Способ диагностики физиологического состояния зерновых культур» от 20июля 1997.

21) Плотников В.К., Бакалдина Н.Б. Постранскрипционная регуляция экспрессии генов: изучение дифференциального распада мРНК растений in vivo и in vitro // Генетика, 1997, т. 33, №3, с. 343-349.

22) Плотников В.К., Бакалдина Н.Б., Новиков Б.Н., Алексеенко Ж.В., Бибишев В.А., Полежаев С.Л., Рядчиков В.Г. Посттранскрипционная регуляция экспрессии генов эукариот: влияние стрессов на стабильность мРНК in vitro // Генетика, 1998, т. 34, № 9,с. 1205-1211.

23) Плотников В.К. Генетико-физиологическая детерминация распада мРНК злаков in vitro // Успехи современной биологии, 2003, т. 123, № 1, с. 98-109.

24) Плотников В.К., Насонов А.И., Ладатко А.Г. Вариабельность содержания катионов магния (Mg++) в РНК проростков озимой мягкой пшеницы // Сборник статей по материалам конференции «Аминокислотное питание животных и проблема белковых ресурсов», (23 марта, 2004, Краснодар) Краснодар, 2005, с.349 - 352.

25) Плотников В.К., Насонов А.И., Иваненко Е.Е., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И. Взаимосвязь морозостойкости озимой мягкой пшеницы с содержанием катионов магния в РНК // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии, Москва, 2008, Вып. 2, С. 89-92.

26) Плотников В.К. Биология РНК зерновых культур, Краснодар, Издательство «Эдви», 2009, 375 с.

27) Плотников В.К., Салфетников А.А. 60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 118, С. 627-657.

28) Плотников В.К., Смирнова Е.В., Репко Н.В., Салфетников А.А. Сортоспецифичность действия трилона Б на прорастания семян озимого ячменя // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 120, С. 706-729.

29) Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Экспрессия генов эукариот при аминокислотном имбалансе, 2014, Краснодар, КубГау, 375 с.

30) Шеуджен А.Х. Биогеохимия. - Майкоп: ГУРИПП "Адыгея", 2003, 1028 с.

31) Plotnikov V.K., Bakaldina N.B. Differential stability of zein mRNA in developing corn kernel // Plant Molecular Biology, 1996, V.31., P.507-515.

32) Wolfe-Simon F, Switzer Blum J, Kulp TR, Gordon GW, Hoeft SE, Pett-Ridge J, Stolz JF, Webb SM, Weber PK, Davies PC, Anbar A, Oremland RS. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead at Phosphorus // Science, 2011, V.332, № (332) 6034, P.1163-1166.

33) Reaves M.L., Sinha S., Rabinowitz J.D., Kruglyak L., Redfield R.J. Absence of detectable arsenate in DNA from arsenate-grown CFAJ-1 cells // Science, 2012, 337(6093): 10.1126/science.1219861 Published online 2012 Jul 8. doi: 10.1126/science.1219861

References

1) Aljoshin N.E., Avakjan Je.R. K voprosu o kremnievom obmene risa // Bjull. NTI VNII risa, Krasnodar, 1978, vyp. 26, s. 16-20.

2) Aljoshin N.E. Kremnievoe pitanie risa // S.-h. za rubezhom. Rastenievodstvo, 1982, № 6, s. 9-14.

3) Aljoshin N.E., Avakjan Je.R., Aljoshin E.P. Soderzhanie kremnija v RNK risa // Dokl. VASHNIL, 1982, № 6, s. 6-7.

4) Aljoshin N.E. O biologicheskoj roli kremnija u risa // Vestnik s.-h. nauki,1988, № 10, s. 77-85.

5) Bogatyrev V.A., Dykman L.A., Hlebcov B.N., Plotnikov V.K., Hlebcov N.G. Opticheskie svojstva kon#jugatov kolloidnogo zolota s oligotimidinom i ih izmenenie pri reakcii gibridizacii s poliadenilovoj kislotoj // Kolloidnyj zhurnal, 2005, T.67, №4, s. 458-468.

6) Voronkov M. G., Zelchan G. I., Lukevic Je. Ja. Kremnij i zhizn'. Biohimija, toksikologija i farmakologija soedinenij kremnija. Izd. 2-e, pererab.i dop. Riga: Zinatne, 1978,588 s.

7) Voronkov M.G. Kuznecov I.G. Udivitel'nye jelementy zhizni, Irkutsk, 1983, 107 s.

8) Voronkov M.G. Kuznecov I.G. Kremnij v zhivoj prirode, Novosibirsk: Nauka,1984, 155 s.

9) Voronkov M.G., Baryshok V.P. Silatrany v medicine i sel'skom hozjajstve, Novosibirsk: Izd. SO RAN, 2005, 258 s.

10) Glazko V.I., Belopuhov S.L. Nanotehnologii i nanomaterialy v sel'skom hozjajstve, Moskva: Izd.RGAU-MSHA im. K.A. Timirjazeva, 2008, 227s.

11) Gordova V.S., Sapozhnikov S.P., Sergeev V.E., Karyshev P.B. Osnovy biosilifikacii // Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2013, №3, s. 401-409.

12) Kisberri N.A., Japp S.V., Idris A. Mezoporistye kremnievye nanochasticy kak platforma dlja dostavki nukleinovyh kislot vnutr' kletki // Biohimija, 2017, t.82, v. 6, s. 873-882.

13) Kleshhenko E., Dve damy, DNK i mysh'jak // Himija i zhizn', 2012, 3 3, s.7-10.

14) Kolesnikov M.P. Formy kremnija v rastenijah // Uspehi biologicheskoj himii, 2001, t.41, s. 301-332.

15) Kursanov A.L. Uchjonyj i auditorija. M.; Nauka, 1982, 273 s.

16) Mjuller S.(p/r) Nukleinovye kisloty ot A do Ja, Moskva, BINOM, Laboratorija znanij, 2013, 413 s.

17) Nasonov A.I., Polezhaev S.L., Radul' A.P., Rjadchikov V.G., Plotnikov V.K. Vzaimosvjaz' soderzhanija kationov magnija (Mg++), stabil'nosti RNK i intensivnosti metabolizma v kletkah jeukariot // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2008, 2(11), s.104-110.

18) Nen'ko N.I., Plotnikov V.K., Kuzembaeva N.A., Garazha V.N., Surkova E.V., Nasonov A.I., Pospelova Ju.S., Maljuga N.G. Vlijanie preparata furolan na fiziologo-biohimicheskie harakteristiki sozrevajushhego zerna ozimoj pshenicy // Prikladnaja biohimija i mikrobiologija, 2007, №6,s. 715-721.

19) Plotnikov V.K. Stabil'nost' mRNK kak faktor reguljacii jekspressii genov v kletkah jeukariot // Uspehi sovremennoj biologii, 1992, t. 112, vyp. 2, s. 186-199.

20) Plotnikov V.K., Bakaldina N.B., Bibishev V.A. Rossijskij patent № 2084133 na izobretenie «Sposob diagnostiki fiziologicheskogo sostojanija zernovyh kul'tur» ot 20ijulja 1997.

21) Plotnikov V.K., Bakaldina N.B. Postranskripcionnaja reguljacija jekspressii genov: izuchenie differencial'nogo raspada mRNK rastenij in vivo i in vitro // Genetika, 1997, t. 33, №3, s. 343-349.

22) Plotnikov V.K., Bakaldina N.B., Novikov B.N., Alekseenko Zh.V., Bibishev V.A., Polezhaev S.L., Rjadchikov V.G. Posttranskripcionnaja reguljacija jekspressii genov jeukariot: vlijanie stressov na stabil'nost' mRNK in vitro // Genetika, 1998, t. 34, № 9,s. 1205-1211.

23) Plotnikov V.K. Genetiko-fiziologicheskaja determinacija raspada mRNK zlakov in vitro // Uspehi sovremennoj biologii, 2003, t. 123, № 1, s. 98-109.

24) Plotnikov V.K., Nasonov A.I., Ladatko A.G. Variabel'nost' soderzhanija kationov magnija (Mg++) v RNK prorostkov ozimoj mjagkoj pshenicy // Sbornik statej po materialam konferencii «Aminokislotnoe pitanie zhivotnyh i problema belkovyh resursov», (23 marta, 2004, Krasnodar) Krasnodar, 2005, s.349 - 352.

25) Plotnikov V.K., Nasonov A.I., Ivanenko E.E., Kuzembaeva N.A., Bukreeva G.I., Kalenich V.I. Vzaimosvjaz' morozostojkosti ozimoj mjagkoj pshenicy s soderzhaniem kationov magnija v RNK // Izvestija Timirjazevskoj sel'skohozjajstvennoj akademii, Moskva, 2008, Vyp. 2, S. 89-92.

26) Plotnikov V.K. Biologija RNK zernovyh kul'tur, Krasnodar, Izdatel'stvo «Jedvi», 2009, 375 s.

27) Plotnikov V.K., Salfetnikov A.A. 60 let v stroju: osobennosti molekuljarnoj biologii ozimoj mjagkoj pshenicy sorta Bezostaja 1 // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2016, № 118, S. 627-657.

28) Plotnikov V.K., Smirnova E.V., Repko N.V., Salfetnikov A.A. Sortospecifichnost' dejstvija trilona B na prorastanija semjan ozimogo jachmenja // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2016, № 120, S. 706-729.

29) Rjadchikov V.G., Plotnikov V.K. Jekspressija genov jeukariot pri aminokislotnom imbalanse, 2014, Krasnodar, KubGau, 375 s.

30) Sheudzhen A.H. Biogeohimija. - Majkop: GURIPP "Adygeja", 2003, 1028 s.

31) Plotnikov V.K., Bakaldina N.B. Differential stability of zein mRNA in developing corn kernel // Plant Molecular Biology, 1996, V.31., P.507-515.

32) Wolfe-Simon F, Switzer Blum J, Kulp TR, Gordon GW, Hoeft SE, Pett-Ridge J, Stolz JF, Webb SM, Weber PK, Davies PC, Anbar A, Oremland RS. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead at Phosphorus // Science, 2011, V.332, № (332) 6034, P.1163-1166.

33) Reaves M.L., Sinha S., Rabinowitz J.D., Kruglyak L., Redfield R.J. Absence of detectable arsenate in DNA from arsenate-grown CFAJ-1 cells // Science, 2012, 337(6093): 10.1126/science.1219861 Published online 2012 Jul 8. doi: 10.1126/science.1219861

Размещено на Allbest.ru