Messenger ribonuklein kislotasi (mRNK; sinonimi — informatsion RNK, iRNK) — oqsillarning birlamchi tuzilishi (aminokislota ketma-ketligi) haqidagi ma’lumotni tashuvchi RNK turidir. mRNK DNK asosida transkripsiya jarayonida sintezlanadi va keyin translyatsiya vaqtida oqsil sintezi uchun matritsa (andaza) sifatida ishlatiladi. Shu tariqa mRNK genlarning «namoyon bo‘lishi» (gen ekspressiyasi) da hal qiluvchi rol o‘ynaydi.

Odatdagi yetuk (zich ishlov berilgan) mRNK uzunligi bir necha yuzdan bir necha ming nukleotidgacha bo‘ladi. Eng uzun mRNKlar (+) ipli RNK-genomli viruslarda, masalan, pikornaviruslarda uchraydi — bunday viruslarda mRNK butun genomning o‘zini tashkil qiladi.

DNK ko‘pincha oqsillarni tayyorlash uchun chizmalar va ayni paytda yo‘riqnomalar majmuasiga qiyoslanadi. Bu muhandislik-ishlab chiqarish analogiyasini davom ettirsak: agar DNK «zavod direktorining seyfida saqlanadigan, oqsil tayyorlash bo‘yicha to‘liq chizmalar-yo‘riqnomalar to‘plami» bo‘lsa, unda mRNK — «yig‘uv tsexiga beriladigan, bitta detaldan iborat vaqtinchalik ishchi nusxa»dir. DNK voyaga yetgan organizmning batafsil «surati»ni emas, balki uni yaratish «retsepti»ni saqlaydi; bu retsept gen ekspressiyasi jarayonida mavjud sharoitga qarab qo‘llanadi — yo‘riqnomalarning ayrimlari ishlatiladi, boshqalari esa yo‘q.

Tarixiy kashfiyot

XX asr o‘rtalariga kelib oqsillar tuzilishi DNKdagi uchastkalar — genlar bilan kodlanishi ilmiy dalillar bilan isbotlangan edi, biroq kodlashning bevosita mexanizmi hali aniq emasdi.

J. Brashe (1944) va T. Kaspersson (1947) ishlari faol oqsil sintez qiladigan hujayralarda sitoplazmada RNK juda ko‘p bo‘lishini ko‘rsatdi. Keyinchalik ma’lum bo‘ldiki, bu, asosan, ribosomal RNK (rRNK)ga tegishli, mRNK miqdori esa nisbatan kam. Shunga qaramay, bu kuzatuv DNK, RNK va oqsil o‘rtasidagi bog‘liqlikni ko‘rsatdi va ehtimol, RNKning yadrodagi DNKdan oqsil biosintezi apparatigacha ma’lumot tashuvchi vositachi sifatidagi rolini taxmin qilishga turtki berdi.

Ayni davrda oqsil sintezlovchi ribonukleoproteid zarrachalar — ribosomalar kashf etildi. Avvaliga genlar ribosoma RNKlariga transkripsiya qilinadi va aynan ribosomalar oqsil sintezi uchun matritsa bo‘lib xizmat qiladi, degan taxmin ilgari surildi. Biroq 1956—1958 yillarda A. Belozerskiy va A. Spirin turli mikroorganizmlarning DNK va RNK nukleotid tarkibini qiyoslab, DNK tarkibi keng farqlansa-da, turli turlarning RNKlari bir-biriga ancha o‘xshashligini ko‘rsatdi. Bu, hujayradagi RNKning asosiy qismi — rRNK — mazkur organizm DNK tarkibini aks ettirmasligini va oqsil sintezi uchun matritsa bo‘la olmasligini anglatardi. Shu bilan birga, mualliflar turlararo katta farqlar fonida DNK va RNK tarkiblari o‘rtasida kuchsiz ijobiy korrelyatsiyani ham ko‘rdilar. Bu, rRNKdan tashqari, hujayrada gen ekspressiyasida vositachi bo‘ladigan yana kichik bir RNK fraksiyasi mavjud bo‘lishi mumkinligi haqidagi g‘oyani tug‘dirdi.

Elliot Volkin va Lazar Astrachan mustaqil ravishda shunga o‘xshash xulosaga keldilar: ular bakterial hujayralar T2 bakteriofag bilan zararlanganda, hujayralar to‘liq virus oqsillarini sinteziga o‘tishini aniqladilar. Xo‘jayin hujayra RNKlarining katta qismi o‘zgarmaganicha qolsa-da, zararlangandan so‘ng qisqa umrli, fagogi DNK tarkibiga o‘xshash RNKning oz miqdori sintezlanardi.

1961 yilda bir nechta tadqiqot guruhlari DNKdagi genlarga tuzilishi bo‘yicha yaqin, ribosomalar bilan bog‘lanib, oqsil sintezi uchun matritsa bo‘lib xizmat qiladigan qisqa umrli RNK-vositachining mavjudligini bevosita isbotladilar.

Hayotiy sikl

mRNK molekulasining hayotiy sikli DNK matritsasidan «o‘qish» (transkripsiya) bilan boshlanadi va alohida nukleotidlargacha parchalanish (degradatsiya) bilan yakunlanadi. Oqsil sintezidan avval mRNK turli modifikatsiyalardan o‘tishi mumkin. Eukariot mRNKlar ko‘pincha murakkab ishlovdan o‘tish va yadrodan — mRNK sintezi joyidan — ribosomalarga (translyatsiya bo‘ladigan joyga) tashilishni talab qiladi; prokariot mRNKlarida esa bunday talab yo‘q, ularda RNK sintezi oqsil sintezi bilan bevosita bog‘langan (kopulyatsiyalashgan).

Transkripsiya

Transkripsiya — genetik ma’lumotni DNKdan RNKga, xususan, mRNKga ko‘chirish jarayoni. Uni RNK-polimeraza fermenti bajaradi: u komplementarlik prinsipiga ko‘ra, DNKning ikki spiralidan birining nusxasini quradi. Bu jarayon eukariotlarda ham, prokariotlarda ham umumiy asosga ega. Asosiy farq shundaki, eukariotlarda RNK-polimeraza transkripsiya vaqtida mRNKni qayta ishlovchi fermentlar bilan assotsiatsiyalanadi; shu bois ularda mRNKga ishlov berish va transkripsiya bir vaqtda kechishi mumkin. Qisqa umrli, ishlov berilmagan yoki qisman ishlov berilgan transkriptlar pre-mRNK deb, to‘liq ishlovdan keyingi mahsulot esa yetuk mRNK deb ataladi.

Eukariot mRNKning yetilishi

Prokariotlarda (bakteriyalar va arxeylar) mRNK, kam holatlardan tashqari, darhol translyatsiyaga tayyor bo‘ladi va maxsus ishlovni talab qilmaydi. Eukariotlarning pre-mRNKlarga esa intensiv modifikatsiyalar qo‘llanadi. Xususan, transkripsiya bilan bir vaqtda 5'-uchiga maxsus modifikatsiyalangan nukleotid — kep qo‘shiladi, RNKning ayrim bo‘laklari olib tashlanadi (splaysing), 3'-uchiga esa adenil nukleotidlardan iborat poli(А) dum biriktiriladi. Eukariot mRNKga transkripsiyadan keyingi bunday o‘zgarishlar odatda mRNK protsessingi deb yuritiladi.

Keplash protsessingning birinchi bosqichidir va transkript 25—30 nukleotid uzunlikka yetganda amalga oshadi. Kep 5'-uchga birikishi bilanoq u bilan kep-bog‘lovchi kompleks — CBC (cap binding complex) bog‘lanadi; u protsessing tugaguncha mRNK bilan qoladi va keyingi bosqichlar uchun muhimdir. Splaysing jarayonida pre-mRNKdan oqsilni kodlamaydigan ketma-ketliklar — intrоnlar — olib tashlanadi. Poliadenillanish ko‘pchilik mRNKlarning sitoplazmaga tashilishi uchun zarur va mRNKni tez parchalanishdan himoya qiladi (yarim umrini uzaytiradi). Poli(A) bo‘lagidan mahrum mRNKlar (masalan, virusnikilar) eukariot hujayralar sitoplazmasida ribonukleazalar tomonidan tezda parchalanadi.

Protsessing bosqichlari yakunlangach, mRNK muddatidan oldin paydo bo‘lgan stop-kodonlar yo‘qligi bo‘yicha nazoratdan o‘tadi va to‘liq translyatsiya matritsasiga aylanadi. Sitoplazmada kepni initsiallash faktorlari (ribosomaning mRNKga birikishini ta’minlovchi oqsillar) tanib oladi, poli(А) dum esa PABP1 poli(A)-bog‘lovchi oqsil bilan bog‘lanadi.

Splaysing

Splaysing — pre-mRNKdan oqsilni kodlamaydigan intrоnlar olib tashlanib, oqsil tuzilishi haqidagi ma’lumotni saqlovchi ekzonlar biriktiriladigan jarayon. Ba’zan bitta gen bir nechta oqsilni kodlay oladi — muqobil splaysing hisobiga. Splaysing odatda splaysosoma deb nomlanuvchi RNK-oqsil kompleksi tomonidan bajariladi, ammo ayrim mRNK molekulalari oqsilsiz ham katalizlay oladi (qarang: ribozimlar).

Splaysing sxemasi, bu jarayonda pre-mRNK yetuk mRNKga aylanadi. Yashil — translyatsiya qilinmaydigan hududlar (Untranslated Regions, UTR), ko‘k — intronlar, qizil — translyatsiya qilinadigan (oqsilni kodlaydigan) hududlar.

 

Transport

Eukariotlar va prokariotlar o‘rtasidagi yana bir farq — mRNK transporti. Eukariotlarda transkripsiya va translyatsiya makon jihatidan ajralganligi sababli, mRNK yadrodan sitoplazmaga chiqarilishi kerak. Yetuk mRNKlar o‘ziga xos modifikatsiyalari orqali tanilib, yadro teshiklari orqali chiqadi; sitoplazmada esa mRNK informosoma deb ataluvchi nukleoproteid komplekslari tarkibida ribosomalarga yetkaziladi. Ko‘p mRNKlar molekulada ularning mahalliylashuvini belgilovchi signallarni saqlaydi. Masalan, neyronlarda mRNK neyron tanasidan dendritlarga tashiladi va u yerda tashqi ta’sirlarga javoban translyatsiya sodir bo‘ladi.

mRNK eksporti xamirturushlarda Mex67—Mtr2, ko‘p hujayralilarda TAP—p15 transport omillari kompleksi ishtirokida amalga oshadi. Biroq bu kompleks mRNKga bevosita emas, balki adapter oqsil — xamirturushlarda Yra1, ko‘p hujayralilarda ALY/REF orqali ulanadi; u TREX oqsil kompleksining substrunitlaridan biridir. O‘z navbatida, TREX ALY/REFning CBC80 substruniti bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘zaro ta’siri tufayli mRNK bilan kompleksga jalb qilinadi. Bunday mexanizm transport kompleksining mRNKning 5'-uchiga yaqin birikishini va transportning yo‘nalishini — 5' → sitoplazma — ta’minlaydi.

Metillanish

Eukariot mRNKlari transkripsiyadan keyin metillanadi. Eng ko‘p tarqalgan modifikatsiya — adenozin qoldig‘ining N6 holati bo‘yicha metillanishi natijasida N6-metiladenozin (m6A) hosil bo‘lishidir. Jarayonni N6-adenozinmetiltransferazalar katalizlaydi; ular ko‘proq GAC (70 %) va AAC (30 %) konsensus ketma-ketliklaridagi adenozinlarni tanib metillaydi. Mos demetilazalar jarayonni teskari yo‘nalishda olib boradi. Metillanishning qaytarilishi va dinamikasi, shuningdek m6A ning uzun ekzonlarda va stop-kodonlar atrofida yuqoriligi inobatga olinib, mRNK metillanishi tartibga soluvchi (regulyator) funksiyaga ega deb hisoblanadi.

Translyatsiya

Prokariot mRNKlari ishlov va transportga muhtoj bo‘lmagani uchun, ribosoma tomonidan translyatsiya transkripsiyadan darhol keyin boshlanishi mumkin. Demak, prokariotlarda translyatsiya transkripsiya bilan ko-transkripsion tarzda uyg‘unlashgan.

Eukariot mRNKlari esa avval ishlovdan o‘tishi va yadroni tark etib sitoplazmaga yetib borishi kerak; shundan keyingina ribosomalar ularni translyatsiya qiladi. Translyatsiya erkin ribosomalarda yoki endoplazmatik retikulum devorlari bilan assotsiatsiyalashgan ribosomalarda kechishi mumkin. Shuning uchun eukariotlarda translyatsiya transkripsiya bilan bevosita bog‘lanmagan.

Translyatsiyani tartibga solish

Prokariotlarda transkripsiya translyatsiya bilan birga kechgani bois, ular atrof-muhoitdagi o‘zgarishlarga tezda moslashib, yangi oqsillar sintezini boshlay oladi — regulyatsiya, asosan, transkripsiya darajasida yuz beradi. Eukariotlarda esa mRNKga ishlov va uni tashish zarurati javobni sekinlashtiradi; shu sababli oqsil sintezi keng ko‘lamda posttranskripsion darajada boshqariladi. Har bir yetuk mRNK ham translyatsiya qilinavermaydi — masalan, RNK-interferensiya mexanizmlari mavjud.

Ba’zi mRNKlarning kodlovchi ketma-ketligi oxirida turli tipdagi ikki tandem terminator (stop) kodon bo‘lishi ham kuzatiladi.

Yetuk mRNK tuzilishi

Yetuk mRNK bir nechta funksional bo‘laklardan iborat: 5'-kep, 5'-translyatsiya qilinmaydigan hudud (5'-UTR), kodlovchi (translyatsiya qilinadigan) hudud, 3'-translyatsiya qilinmaydigan hudud (3'-UTR) va 3'-poliadenin dum.

5'-kep

5'-kep (ing. cap — «shapka») — 5' (old) uchiga qo‘shiladigan modifikatsiyalangan guanozin nukleotid. U translyatsiya initsiallanishida mRNKni tanib olish uchun juda muhim va 5' uchi himoyasiz bo‘lgan nuklein kislota zanjirlarini parchalovchi 5'-nukleazalardan himoya qiladi.

Yetuk eukaryotik mRNK tuzilishining sxematik diagrammasi

Kodlovchi hududlar

Kodlovchi hududlar kodonlardan iborat — uch nukleotidli ketma-ketliklar zanjiri; har bir kodon genetik kodda muayyan aminokislota yoki oqsil sintezining boshlanishi/ tugashiga mos keladi. Kodlovchi hudud start-kodondan boshlanib, uch stop-kodondan biriga qadar davom etadi. Kodonlar ketma-ketligi bo‘yicha oqsilning aminokislotalar ketma-ketligini ribosomalar transport RNK (tRNK) ishtirokida translyatsiya jarayonida yig‘adi. Ba’zan kodlovchi hududlarning ayrim qismlari boshqaruv ketma-ketliklari vazifasini bajarishi mumkin; masalan, RNKning ikkilamchi tuzilmasi ba’zi hollarda translyatsiya natijasini belgilaydi.

Monotsistron va politsistron mRNK

Agar mRNK faqat bitta oqsil (bitta tsistron) translyatsiyasi uchun zarur ma’lumotni saqlasa, u monotsistron deb ataladi. Bir nechta oqsilni kodlaydigan mRNK esa politsistron bo‘ladi; bunday mRNKda genlar (tsistronlar) intergen — kodlamaydigan — bo‘laklar bilan ajratilgan. Politsistron mRNKlar prokariotlar va viruslar uchun xos, eukariotlarning katta qismi esa monotsistrondir.

Translyatsiya qilinmaydigan hududlar (UTRlar)

Translyatsiya qilinmaydigan hududlar — start-kodondan oldingi 5'-UTR va stop-kodondan keyingi 3'-UTR — oqsilni kodlamaydi, ammo xuddi shu transkript tarkibida transkripsiyalanadi. UTRlar mRNK hayotiy siklining bir necha jihatini — barqarorlik, mahalliylashuv va translyatsiya samaradorligini — boshqaradi. Barqarorlik 5' va/ yoki 3' UTRlar orqali RNKazalar va degradatsiyani tezlatuvchi yoki sekinlashtiruvchi regulyator oqsillarga sezgirlik tufayli nazorat qilinadi.

3'-poliadenin dum

Eukariot mRNKlarining 3' uchida ko‘pincha bir necha yuz nukleotidga teng adenin asoslari ketma-ketligi mavjud bo‘ladi; u poliadenilat-polimeraza fermenti tomonidan sintezlanadi. Yuksak eukariotlarda poli(A) dum transkripsiyalangan RNKdagi maxsus AAUAAA ketma-ketligi bo‘yicha qo‘shiladi. Bu ketma-ketlikning ahamiyatini inson β-globin genidagi mutatsiya misolida ko‘rish mumkin: AAUAAA ning AAUAAG ga almashishi organizmda globin yetishmovchiligiga olib keladi.

Ikkilamchi tuzilma

Birlamchi tuzilma (nukleotidlar ketma-ketligi)dan tashqari, mRNK ikkilamchi tuzilmaga ham ega. DNKdan farqli ravishda (unda ikki alohida ip butun uzunligi bo‘ylab vodorod bog‘lari bilan bog‘langan ikki spiral hosil qiladi), mRNKning ikkilamchi tuzilmasi ichki molekulyar o‘zaro ta’sirlarga asoslanadi: chiziqli molekula «buklanadi» va bir molekulaning turli uchastkalari o‘rtasida vodorod bog‘lari hosil bo‘ladi.

Ikkilamchi tuzilmalarga poycha, halqa va soxta tugun (psevdouzеl) kabi motivlar misol bo‘la oladi. Ikkilamchi tuzilmalar translyatsiyani tartibga solishga xizmat qiladi. Masalan, oqsillarga noodatiy aminokislotalar — selenometionin va pirrolizin — ni kiritish 3'-UTRda joylashgan poycha-halqa tuzilmasiga bog‘liq. Psevdouzellar genlarning o‘qish ramkasini dasturlashtirilgan o‘zgartirishga xizmat qiladi. Shuningdek, ikkilamchi tuzilma ayrim mRNKlarning degradatsiyasini sekinlashtiradi.

Virus mRNKlarida murakkab ikkilamchi tuzilmalar — IRES (ichki ribosoma kirish joyi) — kep va initsiallash faktorlarini tanib olishga bog‘liq bo‘lmagan translyatsiyani yo‘naltiradi (qarang: «Translyatsiya initsiallanishi»).

Parchalanish (degradatsiya)

Turli mRNKlar turli umr davomiyligi (barqarorligi)ga ega. Bakteriya hujayralarida mRNK bir necha soniyadan bir soatdan ortiq muddatgacha yashashi mumkin; sutemizuvchilarda esa bir necha daqiqadan bir necha kungacha. mRNK qanchalik barqaror bo‘lsa, undan shunchalik ko‘p oqsil sintezlanadi. Hujayraning mRNKni cheklangan umr bilan saqlashi o‘z ehtiyojlariga mos ravishda oqsil sintezini tez o‘zgartirish imkonini beradi. Vaqti kelganda, xususan, 3' uchidagi poli(A) bo‘lagi uzunligiga bog‘liq ravishda, mRNK RNKazalar ishtirokida alohida nukleotidlargacha parchalanadi. Hozirga qadar mRNK degradatsiyasining ko‘plab mexanizmlari ma’lum.

Prokariotlarda mRNK degradatsiyasi

Prokariotlarda mRNK barqarorligi eukariotlarga nisbatan ancha past. Degradatsiya endonukleazalar, 3'-ekzonukleazalar va 5'-ekzonukleazalar kombinatsiyasi ta’sirida kechadi. Ba’zan uzunligi o‘nlab-yuzlab nukleotidlarga teng kichik RNKlar mRNKning mos ketma-ketliklari bilan komplementar juftlashib, ribonukleazalarga yordam berib degradatsiyani rag‘batlantiradi. 2008 yilda bakteriyalarda 5'-uchida trifosfat ko‘rinishidagi «kepga o‘xshash» tuzilma borligi ko‘rsatildi. Ikki fosfat olib tashlanganda 5'-uchda monofosfat qoladi va mRNK RNKaza E endonukleazasi tomonidan yorib yuboriladi.

Eukariotlarda

Odatda degradatsiya 5' uchi kepsizlantirish (decapping) va 3' uchidagi poli(A) dumini qisqartirish/olib tashlash bilan boshlanadi, so‘ng 5' → 3' va 3' → 5' yo‘nalishlarda nukleazalar mRNKni parchalashni davom ettiradi. Agar transkripsiya xatosi tufayli stop-kodon kodlovchi ketma-ketlikning o‘rtasida paydo bo‘lsa, bunday mRNK NMD (nonsense-mediated decay) deb ataluvchi tezkor maxsus degradatsiyaga uchraydi.