معلومة

شكل مرنا

شكل مرنا


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كنت أتساءل عن الأشكال التي يفترضها الرنا المرسال. لقد قرأت بعض المصادر التي تقتبس أنها خطية (quora ، لذا فهي ليست موثوقة للغاية) وأيضًا مصدر يقول أن شكل دبوس الشعر شائع (الطبيعة ، لذلك أفضل استخدام هذا الشكل).

كنت أتساءل أيضًا ما هي العوامل أو الميزات الإضافية التي تضمن أن mRNA له هذا الشكل. على سبيل المثال ، يقول المصدر الأول أن mRNA "خطي بحيث يمكن للريبوسومات الارتباط به". ولكن ، من الواضح أن كل ما هو مطلوب لهذا هو أن موقع ربط الريبوسوم مكشوف. في هذه الحالة ، قد يتفكك الجزء المتبقي من الرنا المرسال تلقائيًا أثناء ترجمته ، أو قد يكون هناك شيء أكثر تحديدًا يتم تحفيزه بواسطة الريبوسوم ، أو قد يكون هناك إنزيم إضافي يربط ويحفز انتشار الرنا المرسال كما يتم ترجمتها.

الشيء هو أنني أجد صعوبة في تصديق أن الرنا المرسال لن ينثني على نفسه ، ولكن من ناحية أخرى ، إذا حدث ذلك ، فربما يكون مستقرًا للغاية ولن يتحلل بسهولة كافية. سيكون لدينا تراكم mRNA في الخلية ، ما لم يكن هناك بروتين أدى إلى تدهورها على وجه التحديد.

فرضيتي الأخرى الوحيدة ، إذا كانت حقيقة أن mRNA لا تنثني ، هي أن الحمض النووي في النواة `` كثيف جدًا '' للسماح بطي mRNA في النواة ، وبمجرد خروجها عبر a يتم ترجمة المسام النووية على الفور وتشكيل مجمع متعدد الريبوسوم. لذلك لم يعد من الممكن طيها بعد ذلك.

لا أعتقد أن محتوى الحمض النووي في النواة كثيف بدرجة كافية للتأثيرات الجامدة مثل هذه. لقد رأيت صورًا مجهرية إلكترونية في كتاب (البيولوجيا الجزيئية للخلية) لخروج الرنا المرسال من المسام النووية. يبدو ملفوفًا تمامًا. لسوء الحظ ، لم أتمكن من العثور على صورة تمثيلية واضحة عبر الإنترنت أو الورقة المرتبطة بها. ولكن ربما يمكن أن يلتف الرنا المرسال في النواة ، ولكن يتم تقويمه عندما يتم سحبه عبر المسام النووي. قد تحفز البروتينات والعوامل المرتبطة بالمسام النووية تكسير الروابط الهيدروجينية.

أي تفاصيل عن هذا سيكون موضع تقدير كبير.


لسوء الحظ ، غالبًا ما يُعلم أن mRNA خطي ، لكن هذا ليس صحيحًا على الإطلاق. يمكن للنيوكليوتيدات داخل mRNA تكوين روابط هيدروجين داخل الجزيئية مع نيوكليوتيدات أخرى ، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل ثانوية ، وتؤدي التفاعلات بين هذه الهياكل الثانوية إلى تراكيب من الدرجة الثالثة. تحتوي mRNAs على هياكل ثانوية شديدة التغير ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاختلافات في تسلسل ORF ، لذلك لا يوجد هيكل إجماعي معتمد من قبل mRNAs. ومع ذلك ، فإن انحلال الكودون مهم في إنتاج هياكل ثانوية مرنا أكثر ترتيبًا واستقرارًا في ORFs ، مما يؤدي إلى زيادة نصف عمر الرنا المرسال. النيوكليوتيدات في الموضعين الأول والثاني في الكودونات هي الأكثر حفظًا ، في حين أن موضع النوكليوتيدات الثالث هو الأقل حفظًا ويحتوي على محتوى GC مرتفع ، مما يجعل أكبر مساهمة في استقرار البنية الثانوية. عادةً ما تحتوي UTR 5 'على الكثير من الهياكل الثانوية ، والتي قد تساعد في تعديل بدء الترجمة ، بينما تحتوي UTRs 3 على عدد أقل من البنية الثانوية ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار الهيكلي حول مواقع الربط للبروتينات و miRNAs ، مما يعزز ربط ميرنا والبروتين. تكون رموز البداية والإيقاف أقل تكرارًا من أزواج القواعد من بقية الرنا المرسال ، مما يشير إلى وجودها في الهياكل الثانوية المحلية التي تؤدي إلى بدء الترجمة وإنهاؤها بكفاءة. ومع ذلك ، فإن التسلسل المصب مباشرة لكودون الإيقاف يحتوي على محتوى GC مرتفع وزيادة في تواتر الاقتران الأساسي. تم الافتراض بأن هذا الهيكل الثانوي القوي موجود لمقاطعة مسح الريبوسوم بعد الإنهاء. في حين أن زيادة استقرار mRNA يزيد من عمر النصف ، فإن الهياكل الثانوية المنخفضة حول مواقع الربط داخل mRNA تشير إلى تحسين الاستقرار الديناميكي الحراري لـ mRNA وليس تقليله في جميع السيناريوهات.

فيما يتعلق ببدء الترجمة ، هناك الكثير من العمل الرائع على هياكل RNA الثانوية الديناميكية لتنظيم بدء الترجمة ، يدور هذا العمل في المقام الأول حول منظمات الريبوسات والمفاتيح الريبية. لن أخوض في التفاصيل حولهم هنا ، ولكن للحصول على ورقة بحثية رائعة عن منظمي الريبوريتور ، انظر: Green، A. A.، Silver، P. A.، Collins، J. J. & Yin، P. Toehold switches: de-novo-design-design of gene expressiones. الخلية 159، 925-39 (2014)

مراجع:

تحليل مقارن لحقيقيات النوى المتعامدة: إشارات وظيفية خفية محتملة. الدقة الأحماض النووية. 32، 1774-82 (2004) Shabalina، S. A.، Ogurtsov، A. Y.، Rogozin، I.B، Koonin، E.V & Lipman، D.J.

Duan، J. & Antezana، M.A Mammalian Mutation pressure، Synonymous Codon Choice، and mRNA degradation. جيه مول. Evol. 57 ، 694-701 (2003).

Shabalina، S. A.، Ogurtsov، A. Y. & Spiridonov، N. A. نمط دوري من بنية ثانوية مرنا تم إنشاؤها بواسطة الشفرة الجينية. الدقة الأحماض النووية. 34 ، 2428-2437 (2006).


ما هو الحمض النووي الريبي؟

يخبر هذا الجزيء المرن مصانع تصنيع البروتين في الخلية بما يريده الحمض النووي منهم ، ويخزن المعلومات الجينية ، وربما يكون قد ساعد الحياة في بدايتها.

أكثر من مجرد ابن عم أقل شهرة للحمض النووي ، يلعب الحمض النووي الريبي دورًا مركزيًا في تحويل المعلومات الجينية إلى بروتينات جسمك. يحمل هذا الجزيء الرائع أيضًا التعليمات الجينية للعديد من الفيروسات ، وربما ساعد في بدء الحياة.


تكشف الدراسة عن السمات الهيكلية التي تنظم معالجة الرنا المرسال

الائتمان: مركز جون إينيس

الحمض النووي الريبي هو العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية ، وهو حجر الأساس بين الحمض النووي والبروتينات.

في حقيقيات النوى ، تخضع الرنا المرسال (mRNAs) للعديد من خطوات المعالجة (بما في ذلك الربط وعديد الأدينيل) لتصبح mRNAs وظيفية ناضجة لإنتاج البروتينات.

بهذه الطريقة تلعب معالجة الرنا المرسال دورًا حاسمًا أثناء التعبير الجيني. تحدث خطوة المعالجة هذه ، المعروفة باسم نضج الحمض النووي الريبي ، داخل محور الخلية - النواة - حيث تم نسخ الرنا المرسال حديثًا من الحمض النووي.

هناك سؤال محير لعلماء الأحياء الجزيئية يتعلق بكيفية التعرف على مواقع معالجة الرنا المرسال بدقة ، خاصةً كيف يتم تمييزها عن المواقع المحيطة بمحتوى تسلسل مماثل؟ يوجد حاليًا نقص في المعرفة بآلية تنظيمية عامة تتعرف على المواقع الفعلية أثناء معالجة mRNA.

تم اقتراح بنية RNA ، باعتبارها خاصية جوهرية لجزيئات RNA ، للمشاركة في معالجة mRNA. ومع ذلك ، فإن كيفية إسهام بنية الحمض النووي الريبي في التعرف على مواقع الربط متعدد الأدينيل ، بشكل عام ، لا تزال بعيدة المنال.

في دراسة جديدة ، اكتشف الباحثون في مركز جون إينيس الدور الوظيفي لبنية الحمض النووي الريبي في معالجة الرنا المرسال.

أجرى الفريق تنميط بنية الحمض النووي الريبي على Arabidopsis thaliana وقام بإنشاء منظر طبيعي لهيكل الحمض النووي الريبي النووي في الجسم الحي. سمحت هذه الطريقة بتشريح ميزات بنية ما قبل الرنا المرسال قبل معالجة الرنا المرسال وتحديد الدور التنظيمي لهيكل الحمض النووي الريبي أثناء نضوج الرنا المرسال.

باستخدام تقنية تم تطويرها سابقًا في المختبر ، استولوا على بنية ما قبل mRNA في الجسم الحي لأكثر من 12000 جين بدقة النوكليوتيدات ودقة عالية.

وجد الفريق أن الرنا المرسال النووي ينثني بشكل مختلف عن الرنا المرسال العصاري. لقد حددوا ميزات هيكل مميزة لما قبل الرنا المرسال والتي تكون مسؤولة عن كل من التضفير والبولي أدينيل. قدم الباحثون كذلك طفرات لتعطيل ميزات بنية الحمض النووي الريبي. وجدوا أن تشغيل أو إيقاف تشغيل ميزات الهيكل المحددة هذه كافٍ لتنظيم عملية الربط.

كشفت الدراسة ، لأول مرة ، عن آلية تنظيمية عامة جديدة لهيكل الحمض النووي الريبي لمعالجة الرنا المرسال. بالإضافة إلى ذلك ، أكدت الدراسة على أهمية تشريح مجموعات الحمض النووي الريبي من مراحل مختلفة من دورة حياة mRNA للتحقيق في العلاقة بين بنية الحمض النووي الريبي والوظائف البيولوجية.

يشكل هذا التطور في فهم كيفية تنظيم معالجة mRNA عبر بنية RNA جزءًا من الصورة الناشئة من مختبر Ding لأهمية شكل RNA في البيولوجيا الجزيئية.

قال الدكتور Yiliang Ding ، المؤلف المقابل للدراسة: "لأول مرة نفهم الدور الوظيفي لبنية RNA في الجسم الحي أثناء نضوج RNA على نطاق الجينوم. لأننا نفهم القواعد التي تنطوي عليها هذه العملية ، يمكننا أن تكون قادرًا في المستقبل على هندسة الجينات من منظور هيكلي بدلاً من منظور تسلسلي. نريد أن نلفت انتباه الباحثين الآخرين إلى هذه الرؤية الثاقبة الذين يمكنهم استخدامها في صحة النبات والبشر. "

يأمل الفريق في المستقبل "التصغير" لاستكشاف تأثيرات بنية الحمض النووي الريبي على النمو والتطور الذي نراه في النباتات.

تظهر الدراسة ، "في هيكل الحمض النووي الريبي النووي في الجسم الحي ، تنظيم بنية الحمض النووي الريبي لمعالجة الرنا المرسال في النباتات" في بيولوجيا الجينوم.

mRNA هو نقطة الانطلاق بين الحمض النووي والبروتينات — يرمز الحرف "M" إلى المرسل.

بين هذه المراحل الرئيسية الثلاثة من الحياة (DNA إلى mRNA إلى البروتين) هناك عمليتان: النسخ والترجمة. في النسخ يتم نسخ الحمض النووي إلى mRNA ثم في الترجمة يتم ترجمة mRNA إلى بروتين. تُعرف هذه العمليات التي تصف تدفق المعلومات الجينية معًا بالعقيدة المركزية في علم الأحياء.

لكي يخضع mRNA للترجمة ويصبح بروتينًا ، هناك مرحلة معالجة تُعرف باسم نضج RNA. في حقيقيات النوى - الكائنات الحية التي تحتوي خلاياه على نواة - تحدث مرحلته داخل النواة ، محور الخلية - حيث تم نسخ mRNA حديثًا.

تتضمن المعالجة أجزاء غير مشفرة من الجزء الذي يتم قطعه من mRNA والأجزاء التي تقوم بتشفير البروتينات التي يتم تجميعها معًا لتكوين تعليمات "نظيفة". تُعرف هذه العملية باسم الربط.

يتم بعد ذلك توج mRNA في أحد طرفيه بما يعرف بـ "ذيل بولي-أ" الذي يميز الرنا المرسال الجاهز للتصدير إلى الخارج من النواة. بمجرد مغادرة هذا mRNA الناضج من النواة ، فإنه يدخل إلى بقية المساحة داخل الخلية ، والتي تسمى السيتوبلازم ، وهنا يتم استخدامه كتعليمات لبناء بروتين من خلال عملية الترجمة.


كل ما تحتاج لمعرفته حول mRNA ، السلاح السري للقاح COVID-19

تستخدم كل من شركتي Pfizer و Moderna هذه التقنية في لقاحاتهما المتطورة. ولكن كيف يعمل؟ وهل هناك خدعة؟

  • يقترب لقاحان من الرنا المرسال من شركة Pfizer و Moderna من الموافقة النهائية ، وكلاهما يعمل عن طريق إعادة توصيل محفز جيني.
  • فيروس SARS-CoV-2 ، الفيروس المسبب لـ COVID-19 (فيروس كورونا) ، له بنية فيزيائية فريدة يمكن استخدامها لتحفيز الاستجابة المناعية.
  • لم يتم الموافقة على لقاح mRNA من قبل ، ولكن توجد أدوية أخرى mRNA.

بعد فترة تطوير متسارعة بشكل ملحوظ ، أصبح لقاحان تجريبيان لـ COVID-19 (فيروس كورونا) جاهزين تقريبًا لوقت الذروة. كلاهما يستخدم تقنية تسمى messenger RNA (mRNA) ، والتي تمت دراستها وتجربتها لعقود بأشكال مختلفة ، ولكن لم يتم استخدامها مطلقًا في لقاح تجاري.

تعتمد شركتا Pfizer و Moderna ، اللتان تقفان وراء اللقاحين الواعدين من الرنا المرسال ، على سنوات من البحث ، بالإضافة إلى سجلات إنجازات متزايدة مع بعض العلاجات المعقدة والمتطورة للحالات الصحية الأخرى.

إذن ما هو mRNA؟ وهل ستكون التقنية التجريبية في الواقع السلاح السري الذي ينقذ العالم من فيروس كورونا؟

ما هو مرنا؟

ما يسمى & ldquomessenger & rdquo علم الوراثة يفعل فقط ما يقوله على القصدير: توصيل المعلومات الجينية إلى أجزاء من جسمك ، عادةً من أجل الكتابة فوق أو محو المعلومات الجينية الموجودة بالفعل. يصنع جسمك ويستخدم mRNA بشكل طبيعي بالفعل. إنه & rsquos أحد ثلاثة أنواع من الحمض النووي الريبي (RNA) التي تعمل جميعها معًا لترجمة معلومات الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين النقية (DNA) إلى بروتينات في جسمك. لقد استغرق العلماء عقودًا لتحديد هذا الميكانيكي المحدد وتحويله إلى دواء.

فكر في الحمض النووي كملف للقراءة فقط على جهاز الكمبيوتر الخاص بك. دع & rsquos نقول أنك أدخلت قرص التثبيت المضغوط الخاص بـ Microsoft Word 2000 في جهاز الكمبيوتر الشخصي الذي يعمل بنظام Windows XP في عام 2001. عندما يتم تشغيل القرص ، يقوم بنسخ جميع الملفات التي تحتاجها إلى جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، ولا يتم المساس بالملفات الأصلية. أو عندما يشارك شخص ما ملف Google Drive ، يجب عليك نسخ الملف قبل أن تتمكن من تحديثه. هذه هي الطريقة التي ينسخ بها RNA & ldquotransport & rdquo DNA & rsquos في الخطوات الأولى للتعبير عن تلك الجينات في جسمك.

هذا يعني أن النوع الصحيح من التداخل الكيميائي العلاجي يمكن أن يخدع جسمك للاعتقاد بأن الحمض النووي يقول شيئًا مختلفًا عما يفعله بالفعل. فكر في أنواع الأجهزة الافتراضية التي يمكنك استخدامها للوصول إلى برامج Windows على جهاز Mac أو العكس و mdashor حتى عمليات الاحتيال الاجتماعية التي تعيد توجيهك من موقع الويب الذي تريده إلى موقع واحد فقط تبدو مثل ما تريد. في هذه الحالة ، فإن الاختطاف هو وسيلة لقمع التعبير عن الجينات الضارة.

ما هو mRNA المستخدمة؟

في عام 2018 ، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) على أحد أول عقاقير آلية الحمض النووي الريبي. إنه & rsquos للداء النشواني الوراثي بوساطة ترانستريتين (hATTR) ، وهو اضطراب وراثي نادر ولكنه مدمر يتسبب في تراكم اللويحات في الجسم.

تسبب الأمراض الوراثية الأخرى تراكمًا مشابهًا لأنواع مماثلة من البلاك ، مع & ldquoamyloid & rdquo أو & ldquoamyloidosis & rdquo في أسمائهم أيضًا. والآلية متشابهة عبر العديد من هذه الأمراض.

& ldquo في ظل الظروف العادية ، ينتج الكبد بروتينًا يسمى ترانستريتين (TTR) ، والذي يستخدم لنقل فيتامين أ وبروتين الغدة الدرقية في الجسم ، و rdquo إدارة الغذاء والدواء الأمريكية يشرح. & ldquo يعاني الأشخاص المصابون بـ HATTR من طفرة في جين TTR ، مما يعني أن بروتين TTR الذي يصنعه الكبد معيب وغير مستقر.

هذا هو بالضبط المكان الذي يتدخل فيه الحمض النووي الريبي العلاجي. فهو يحل محل الملف الفاسد في الحمض النووي بشكل فعال ، ويضمن أن بروتينات TTR اللاحقة أقل احتمالية أن تكون غير مستقرة وتؤذي الجسم.

هذا يبدو مذهلاً ، لكنه بالطبع معقد أيضًا. توضح إدارة الغذاء والدواء:

يواجه المرضى الذين يعانون من HATTR إحصاءات قاتمة تعني أنه حتى الاستعدادات المكثفة والمفاضلات يمكن أن تكون مجدية في مقابل نتائج أفضل.

ماذا سيفعل لقاح mRNA؟

تمتلك كل من شركة Pfizer و Moderna لقاحات قائمة على mRNA تقترب من نهاية التطوير والاختبار السريريين. لا يوجد سبب للاعتقاد بأن mRNA هو الوحيد طيب القلب من خيار اللقاح و mdashit & rsquos هو الأسرع في هذه الحالة بالذات ، مع عشرات الخيارات الأخرى في التطوير المتقدم حول العالم. وصحيح أنه لم يتم طرح لقاح mRNA في السوق على الإطلاق ، لكن البعض حاول ذلك. ستكون هذه أول من تتم الموافقة عليها ، إذا كانت كذلك.

& ldquo قامت كل من Moderna و BioNTech بتصميم قصاصة صغيرة من الشفرة الجينية التي يمكن نشرها في الخلايا لتحفيز الاستجابة المناعية لفيروس كورونا ، & rdquo ستات التقارير. & ldquo يختلف اللقاحان في تركيبهما الكيميائي ، وكيفية صنع المواد ، وكيفية توصيل الرنا المرسال إلى الخلايا. يتطلب كلا اللقاحين حقنتين تفصل بينهما أسابيع قليلة. & rdquo (BioNTech هي Pfizer & rsquos الشريك التقني لتطوير هذا اللقاح.)


مناقشة

لأول مرة ، أنشأنا منظرًا طبيعيًا لهيكل الحمض النووي الريبي في الجسم الحي لـ أرابيدوبسيس الحمض النووي الريبي النووي مع معلومات الهيكل لجميع النيوكليوتيدات الأربعة من خلال تطوير Nuc-SHAPE-Structure-Seq. بعد أن حققنا تغطية عالية ودقة عالية من خلال Nuc-SHAPE-Structure-Seq ، تمكنا من التحقيق في ميزات بنية الحمض النووي الريبي العالمية لـ mRNAs النووية واكتشاف الدور التنظيمي لهيكل الحمض النووي الريبي في معالجة mRNA.

تطوى mRNAs النووية بشكل مختلف عن mRNAs العصاري عبر مواقع بدء الترجمة وإيقافها

mRNAs خلوي خلوي هو المنتجات المعالجة من mRNAs النووية وبالتالي ، فإنها تشترك في نفس التسلسل. السؤال المثير للاهتمام هو ما إذا كانت هياكل الرنا المرسال النووي في هذه المناطق هي نفسها هياكل الرنا المرسال الخلوي؟ هنا ، وجدنا أن بنية الحمض النووي الريبي (RNA) تتميز في اتجاه مجرى الكودونات الأولية ، وعند التوقف كانت الكودونات تختلف اختلافًا كبيرًا بين الرنا المرسال النووي والخلوي (الشكل 2). اقترحت دراسة سابقة في المختبر أن mRNAs الناضجة قد تتطلب هياكل قوية في اتجاه مجرى كودون البدء لزيادة الوحدة الفرعية 40S "وقت السكون" [38]. أشارت ملاحظتنا (الشكل 2 أ) إلى أن الهياكل الأقوى في اتجاه مجرى كودون البدء في الرنا المرسال الخلوي مقارنةً بالـ mRNAs قد تتعلق بتوقف الريبوسوم مؤقتًا في الجسم الحي. عند إيقاف الكودونات ، وجدنا تفاعلات SHAPE أعلى بكثير في mRNAs العصاري الخلوي (الشكل 2 ب). لوحظت أيضًا ميزة الهيكل المفرد التي تقطعت بهم السبل في دراسة هيكلية سابقة لـ RNA وتم اقتراحها لتسهيل إنهاء الترجمة [39]. ولكن في mRNAs النووية ، كانت هذه الخاصية الهيكلية أضعف بكثير (الشكل 2 ب) ، مما يعني أن ميزة الهيكل المفرد الذي تقطعت به السبل عند كودونات التوقف في الرنا المرسال الخلوي قد تكون محددة لإنهاء الترجمة. مجتمعة ، تتميز هذه البنية بالاختلافات بين mRNAs النووية والخلوية مما يعني أن mRNAs قد تخضع للانكسار من النواة إلى العصارة الخلوية.

بالإضافة إلى التأثيرات على اختلافات البنية من الترجمة ، قد تؤثر معالجة mRNA ، على سبيل المثال ، polyadenylation والربط ، أيضًا على حالة طي هياكل RNA في الأجزاء الخلوية المختلفة. لاحظ التنميط السابق لهيكل الحمض النووي الريبي للـ mRNAs الناضجة بعد إضافة عديد الأدينيل في الإنسان المزيد من ميزات الهيكل المطوية في المنطقة الواقعة أسفل مواقع PAS مقارنة بالمنطقة المنبثقة من PAS ، والتي وُجد أنها تسهل عملية ربط البولي أدينيل [15]. ومع ذلك ، لم نلاحظ اختلافات هيكلية كبيرة بين هاتين المنطقتين في تسلسل Nuc-SHAPE-Structure-Seq الخاص بنا ، مما يشير إلى أنه قد يتم إعادة تشكيل الرنا المرسال بعد تعدد الأدينيل (الشكل 5 أ ، ب). بالإضافة إلى ذلك ، وجدنا منطقة مميزة وحيدة الجديلة عبر مواقع بولي (أ) (الشكل 5 أ ، ب) ، مما يدل على أن طريقتنا قد تغلبت على قيود دراسات هيكلية الرنا المرسال الناضجة السابقة ، والتي تفتقر إلى معلومات الهيكل عبر مواقع بولي (أ) [15]. علاوة على ذلك ، فإن دراستنا السابقة على mRNAs الناضجة في أرابيدوبسيس كشفت أن المزيد من ميزات الهيكل المطوية بشكل ملحوظ تشكلت في بداية مواقع البولي أدينيل البديلة مقارنةً بالمناطق المحيطة [24]. ومع ذلك ، وجدنا أن ميزات بنية الحمض النووي الريبي المرتبطة ببولي أدينيل بديل في ما قبل الرنا المرسال قبل ارتباط بعديد الأدينيل (ملف إضافي 1: الشكل S17) كانت مختلفة عن تلك التي لوحظت في الرنا المرسال الناضج [24]. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت دراستنا السابقة على الحمض النووي الريبي الناضج وجود بنية أقوى للحمض النووي الريبي أعلى المنبع بمقدار 5 ss في أحداث غير متشابكة [24]. ومع ذلك ، لم نلاحظ ميزات مماثلة في Nuc-SHAPE-Structure-Seq (الشكل 3 أ ، ب) ، مما يشير إلى أن ميزات بنية الحمض النووي الريبي المتعلقة بالربط تختلف أيضًا بين ما قبل mRNAs و mRNAs الناضجة [24]. وبالتالي ، فإن هذه الاختلافات الهيكلية قبل وبعد معالجة الرنا المرسال تعني ضمنيًا أن الرنا المرسال قد تتبنى هياكل مختلفة لخدمة عمليات بيولوجية متميزة. قد تساهم أيضًا العديد من العوامل الأخرى ، على سبيل المثال ، تفاعلات البروتين المتنوعة ، وتعديلات الحمض النووي الريبي ، والظروف الخلوية المميزة بين النواة والعصارة الخلوية ، في هذه الاختلافات الهيكلية ، مما يوفر مجالًا للدراسات المستقبلية.

يتميز هيكل الحمض النووي الريبي المميز بخصائص المنبع من 5′ss وفي موقع الفرع مرتبطة بالتعرف على 5′ss و 3′ss ، على التوالي

السابق في تشكيل هيكل الحمض النووي الريبي الأنزيمي في المختبر أرابيدوبسيس أظهرت RNAs النووية اختلافات هيكلية أكبر عند تقاطعات exon-intron حيث كانت نهاية الـ5 من introns مزدوجة الشريطة أكثر بكثير من exons المنبع و 3 end of introns كانت مفردة السلاسل أكثر من التسلسلات المرافقة [14]. ومع ذلك ، لم نلاحظ هذه الاختلافات الدراماتيكية عبر exons و introns في بيانات Nuc-SHAPE-Structure-Seq الخاصة بنا ، مما يؤكد أيضًا أن هياكل الحمض النووي الريبي في الجسم الحي كانت مختلفة عن هياكل الحمض النووي الريبي في المختبر [19 ، 20]. التعرف على كل من 5′ss و 3ss له أهمية كبيرة أثناء الربط [1 ، 4]. إن نماذج تسلسل الإجماع لمواقع لصق هي قصيرة جدًا لدرجة أن عددًا كبيرًا من المواقع ذات التسلسلات المطابقة تنتشر على نطاق واسع في النسخة [4]. كانت كيفية التمييز بين مواقع لصق فعلية وعدد كبير من الإيجابيات الخاطئة تحديًا أساسيًا في التعرف على موقع لصق [4]. اقترحت الدراسات الفردية السابقة على الإنسان أن بنى RNA قوية في مواقع ربط snRNA U1 و U2 يمكن أن تمنع التفاعلات مع U1 و U2 snRNA ، وبالتالي تتداخل مع توظيف U1 و U2 snRNP أثناء الربط [40 ، 41 ، 42]. في تحليلنا على مستوى النسخ لـ 5′ss ، حددنا ميزة بنية RNA أحادية الجديلة ثنائية النوكليوتيدات على الفور في اتجاه المنبع من 5′ss ، والتي ارتبطت بأحداث الربط (الشكل 3 أ ، ب ، ملف إضافي 1: الشكل S10 ). نظرًا لأن ميزة الهيكل كانت موجودة داخل منطقة ربط U1 snRNA (من - 3 إلى + 6 موضع عبر 5′ss) [34] ، فمن المحتمل أن تقطعت بهم السبل المفردة لهذين النيوكليوتيدات تعزز ارتباط U1 snRNA في 5 ′ ss الاعتراف. بالنسبة لـ 3′ss ، وجدنا أن السلاسل المفردة في موقع الفرع كانت مرتبطة بأحداث الربط (الشكل 3 أ ، ب). نظرًا لأن U2 snRNA يرتبط عبر نقطة التفرع من خلال الاقتران الأساسي [1] ، فإن السلاسل المفردة في موقع الفرع قد تعزز ارتباط U2 snRNA في التعرف على 3′ss. بدلاً من ذلك ، قد تكون هذه السلاسل المفردة أيضًا نتيجة بعد الارتباط بـ U2 snRNA نظرًا لأن تفاعل اقتران قاعدة RNA-RNA يترك نقطة التفرع بمثابة انتفاخ داخلي [1]. اقترحت الدراسات السابقة في الخميرة أن هياكل حلقة الساق بين موقع الفرع و 3′ss يمكن أن تعزز التعرف على 3′ss [43 ، 44]. وجدنا أيضًا منطقة تفاعلية منخفضة الشكل 4-nt في المنبع من AG dinucleotides في 3′ss ، مما اقترح تشكيل بنية RNA أقوى بين 3′ss وموقع الفرع (الشكل 3 أ ، ب). ومع ذلك ، لم تكن ميزة الهيكل هذه مرتبطة بأحداث التضفير ، وعلى هذا النحو ، يمكن ربطها بالخطوات اللاحقة بعد التعرف على 3′ss ، مثل إرساء 3′ss في مركز التفاعل للوصول إلى 5′ss [45]. والجدير بالذكر أن بنية الحمض النووي الريبي أحادية الجديلة ثنائية النوكليوتيدات تتميز بمقدمة من 5 ss كما ارتبطت السلاسل المفردة عند نقطة الفرع بقوة باختيار البديل 5 ss و 3 ss ، على التوالي (الشكل 3 ج – و. ). اقترحت هذه النتائج أيضًا أن هاتين الميزتين في بنية الحمض النووي الريبي في الجسم الحي قد تخدمان كقواعد عامة لتحديد 5 ss و 3 ss الفعلية في التضفير.

يمكن أن ينظم هيكل RNA أحادي الجديلة ثنائي النوكليوتيدات المنبع من 5′ss عملية التضفير

اقترحت الدراسات السابقة لهيكل الحمض النووي الريبي الفردي أن هياكل الحمض النووي الريبي القوية المتكونة عند 5′ss يمكن أن تمنع ارتباط U1 snRNA ، وبالتالي قمع التضفير [8 ، 41 ، 42]. ومع ذلك ، كانت الهياكل القوية في كل حالة مختلفة تمامًا لدرجة أنه لم يتم تحديد ميزات بنية RNA عامة لتنظيم الربط. من بيانات Nuc-SHAPE-Structure-Seq الخاصة بنا ، تمكنا من تحديد أن ميزة بنية الحمض النووي الريبي الدقيقة جدًا التي تظهر تقطعت بهم السبل في موضعين - 1 و - 2 في المنبع من 5′ss كانت مرتبطة بالربط في نطاق الترنسكريبتوم. مقياس (الشكل 3 أ ، ب). أكد تقييمنا الوظيفي أيضًا أن الضبط الدقيق لهيكل الحمض النووي الريبي عن طريق تبديل حالة الاقتران الأساسي لهاتين فقط - 1 و - 2 من المنبع من 5 ss كان كافياً لتغيير مصير الربط (الشكل 4 ، ملف إضافي 1: الشكل S14).

تتمثل إحدى الآليات الممكنة في التجانس الفردي للوضعين - 1 و - 2 في اتجاه المنبع من 5 ss التي تعزز الربط عن طريق تسهيل ربط U1 snRNA. U1 أزواج قاعدة snRNA بإجمالي تسعة نيوكليوتيدات (من - 3 إلى + 6 منطقة من 5′ss) عبر 5′ss [34]. وبالتالي ، فإن أي نيوكليوتيدات داخل موقع ربط U1 المكون من تسعة نيوكليوتيدات يجب أن يكون قادرًا على التأثير على التضفير. ومع ذلك ، لاحظنا أن الانحدار المفرد في جميع مواضع النيوكليوتيدات الأخرى داخل موقع ربط U1 (باستثناء المواضع -1 و -2) لم يكن قادرًا على إنقاذ أحداث التضفير (الشكل 4 ب ، د). لذلك ، كشفت دراستنا أن موضع ميزة بنية الحمض النووي الريبي أحادية الجديلة ثنائية النوكليوتيدات كان مهمًا أيضًا لتنظيم الربط. أثارت هذه الظاهرة احتمال أن تكون النيوكليوتيدات - 1 و - 2 المنبع من 5′ss هي المواضع الأولى للتفاعل مع U1 snRNA. قد تكون دراسات الفيزياء الحيوية الإضافية قادرة على تقييم هذه الفرضية. علاوة على ذلك ، بمجرد التعرف على 5′ss من خلال الاقتران الأساسي مع U1 snRNA ، يتم تجميع spliceosome في منطقة intron ويتم استبدال تفاعل 5′ss-U1 بتفاعلات 5′ss مع U5 snRNA (من - 3 إلى - 1 منطقة 5′ss) [46]. من الممكن أيضًا أن يؤدي التجاوز الفردي للوضعين - 1 و - 2 إلى تعزيز التفاعل مع U5 snRNA. مجتمعة ، أشار كل من ملف تعريف بنية الحمض النووي الريبي (RNA) على مستوى النسخ والتقييم الوظيفي إلى أن ميزة البنية أحادية النوكليوتيد ثنائية النوكليوتيد في الموضعين - 1 و - 2 المنبع من 5′ss يمكن أن تكون بمثابة دور عام في تنظيم الربط.

نظرًا لأن التضفير عملية بيولوجية أساسية عبر حقيقيات النوى ، فمن المرجح أن يتم حفظ الحافز التنظيمي للربط واختياره بشكل كبير أثناء التطور. التحديد السابق لعنصر التسلسل الأكثر حفظًا والمطلوب للتعرف على 5′ss قصير مثل فقط ثنائي النوكليوتيد GU عند 5′ss [4]. قد يتم تقليل متطلبات تسلسل اثنين فقط من النيوكليوتيدات أثناء اختيار التطور. قد يوفر طول التسلسل القصير للنيوكليوتيدات المحفوظة اللدونة للنيوكليوتيدات المرافقة للمساهمة في الوظائف البيولوجية الأخرى. هنا ، نفترض أن ميزة بنية الحمض النووي الريبي الدقيقة جدًا التي حددناها من النسخ من المحتمل أن تكون قد تطورت بطريقة مماثلة لعزر التسلسل ، من حيث أن تقطعت بهم السبل من اثنين فقط من النيوكليوتيدات كافية لتنظيم التضفير. سيكون من الأهمية بمكان توسيع دراستنا في الأنواع الأخرى للتحقيق في عمومية هذه الآلية التنظيمية.

ترتبط منطقتان منفردتان في المنبع وعبر مواقع poly (A) بكل من polyadenylation والبولي أدينيل البديل

على غرار التحدي المتمثل في كيفية التعرف على مواقع لصق ، لا يعتمد التعرف على مواقع poly (A) دائمًا على محتوى التسلسل. على وجه الخصوص ، لا يوجد نموذج تسلسل فريد موجود حول مواقع بولي (أ) في النباتات [11 ، 47]. في الواقع ، فقط

10٪ من أرابيدوبسيس تحتوي الجينات على نموذج PAS التقليدي "AAUAAA" المنبع لمواقع بولي (A) [11]. لذلك ، كانت كيفية التحديد الدقيق لمواقع poly (A) الفعلية سؤالًا رئيسيًا لتحسين فهمنا لتنظيم polyadenylation. دراسة استقصائية إنزيمية سابقة على الحمض النووي الريبي النووي في المختبر في أرابيدوبسيس حاول التحقيق في ميزات بنية الحمض النووي الريبي في مواقع بولي (أ) [14]. ومع ذلك ، لم يلاحظ أي سمات هيكلية في أي من مادة البولي أدينيل أو مواقع البولي أدينيل البديلة [14] ، والتي قد تكون بسبب الدقة المنخفضة للتحقيق الأنزيمي [6 ، 14]. هنا ، حددنا منطقتين منفردتين (من - 28 إلى - 17 نانومتر في اتجاه المنبع من مواقع poly (A) ومن - 4 إلى + 1 nt عبر مواقع poly (A)) التي ارتبطت بكل من polyadenylation البديل والبولي أدينيل. (الشكل 5 أ ، ب ، د ، هـ ، ملف إضافي 1: الشكل S17). لم تظهر ميزات بنية الحمض النووي الريبي هذه في المناطق التي كان فيها تكوين النيوكليوتيدات متشابهًا ولكن لم يحدث تعدد الأدينيل (الشكل 5 أ ، ب ، د ، هـ). ومن ثم ، فإن هاتين الميزتين اللتين تقتربان من بنية الحمض النووي الريبي أحادية الشريطة قد تكون بمثابة توقيع إضافي للتعرف على مواقع بولي (أ). لاحظنا أيضًا أن تفاعلات SHAPE الإجمالية في مواقع التحكم كانت أقل من تلك الموجودة في مواقع poly (A) الحقيقية ، مما يشير إلى أن نهاية 3 من mRNA الوليدة قبل أن يكون الوصول إلى polyadenylation أكثر سهولة من المناطق الجينية الأخرى في الخلايا الحية (الشكل. 5 أ ، ب). هذا يتوافق مع الملاحظة السابقة بأن ميزات الحمض النووي الريبي أحادية الجديلة مطلوبة لتوظيف آلات معالجة 3 [48].

ومن المثير للاهتمام ، أن معظم أشكال PAS التقليدية "AAUAAA" تقع داخل المنطقة من - 28 إلى - 17 nt في اتجاه المنبع من مواقع poly (A) (ملف إضافي 1: الشكل S18). لقد لاحظنا أن منطقة عزر PAS التقليدية "AAUAAA" كانت أكثر تقطعتًا بمفردها مقارنةً بالمناطق المحيطة (الشكل 5 ج ، و) ، مما يشير إلى أن المنطقة المنفردة التي تقطعت بها السبل من موقع poly (A) تتوافق مع موقع عزر PAS . نظرًا لأن محتوى التسلسل غير كافٍ للتنبؤ بمواقع PAS [11] ، فإن المنطقة المنفردة التي تقطعت بها السبل لمواقع poly (A) يمكن أن تقدم توقيعًا آخر للتعرف على نموذج PAS غير التقليدي. علاوة على ذلك ، فإن تفاعلات مواقع PAS مع بروتينات CPSF30 و WDR33 ضرورية أثناء عملية ربط البولي أدينيل [2]. وبالتالي ، قد تتبنى مواقع PAS هذه الميزة الهيكلية أحادية السلسلة لتسهيل ربط البروتين. علاوة على ذلك ، يتم تحفيز الانقسام الداخلي للنووية في مواقع poly (A) بواسطة CPSF73 ، والذي تم اقتراحه لتفضيل RNA فردي تقطعت به السبل [49]. لذلك ، قد تسهل المنطقة المنفردة التي تقطعت بهم السبل عبر مواقع بولي (A) التفاعل بين مواقع CPSF73 ومواقع بولي (A).


يعزز الهيكل المطوي لـ tRNA وظائف فك التشفير

كانت الخطوة التالية في فهم تدفق المعلومات الجينية من الحمض النووي إلى البروتين هي تحديد كيفية تحويل تسلسل النوكليوتيدات في mRNA إلى تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين. تتطلب عملية فك التشفير هذه نوعين من جزيئات المحولات: الحمض الريبي النووي النقال والإنزيمات التي تسمى مواد تركيبية aminoacyl-tRNA. أولاً ، نصف دور الرنا الريباسي في فك ترميز أكواد الرنا المرسال ، ثم نفحص كيف تتعرف التركيبات على الرنا الريباسي.

جميع الحمض النووي الريبي (tRNAs) لها وظيفتان: أن تكون مرتبطة كيميائيًا بحمض أميني معين والزوج الأساسي مع كودون في mRNA بحيث يمكن إضافة الحمض الأميني إلى سلسلة الببتيد النامية. يتم التعرف على كل جزيء tRNA بواسطة واحد فقط من أصل 20 مركب aminoacyl-tRNA. وبالمثل ، يربط كل من هذه الإنزيمات واحدًا واحدًا فقط من الأحماض الأمينية العشرين بحمض نووي معين ، مكونًا aminoacyl-tRNA. بمجرد إرفاق الحمض الأميني الصحيح ، يتعرف الحمض النووي الريبي (tRNA) على كودون في mRNA ، وبالتالي توصيل حمضه الأميني إلى بولي ببتيد المتنامي (الشكل 4-25).

الشكل 4-25

تتطلب ترجمة تسلسل الحمض النووي في mRNA إلى تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات عملية فك تشفير من خطوتين. أولاً ، يقرن المركب aminoacyl-tRNA حمض أميني معين مع الحمض الريبي النووي النقال المقابل. ثانيًا ، تسلسل ثلاثي القواعد في (المزيد).

مع استمرار الدراسات التي أجريت على الحمض النووي الريبي ، تم تحديد 30 & # x02005 & # x02013 & # x0200540 مختلف tRNAs في الخلايا البكتيرية وما يصل إلى 50 & # x02005 & # x02013 & # x02005100 في الخلايا الحيوانية والنباتية. وبالتالي فإن عدد الحمض الريبي النووي النقال في معظم الخلايا هو أكثر من عدد الأحماض الأمينية الموجودة في البروتينات (20) ويختلف أيضًا عن عدد الكودونات في الكود الجيني (61). ونتيجة لذلك ، تحتوي العديد من الأحماض الأمينية على أكثر من tRNA واحد يمكن أن ترتبط به (موضحًا كيف يمكن أن يكون هناك عدد أكبر من tRNAs من الأحماض الأمينية) بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للعديد من tRNAs الارتباط بأكثر من كودون واحد (موضحًا كيف يمكن أن يكون هناك المزيد من الكودونات أكثر من tRNAs) . كما لوحظ سابقًا ، يتم ترميز معظم الأحماض الأمينية بأكثر من كودون واحد ، مما يتطلب بعض tRNAs للتعرف على أكثر من كودون واحد.

تعتمد وظيفة جزيئات الحمض الريبي النووي النقال ، التي يبلغ طولها 70 & # x02005 & # x02013 & # x0200580 ، على هياكلها الدقيقة ثلاثية الأبعاد. في المحلول ، يتم طي جميع جزيئات الحمض النووي الريبي (tRNA) في ترتيب حلقة جذعية مماثلة تشبه ورقة البرسيم عند رسمها في بعدين (الشكل 4-26 أ). The four stems are short double helices stabilized by Watson-Crick base pairing three of the four stems have loops containing seven or eight bases at their ends, while the remaining, unlooped stem contains the free 3′ and 5′ ends of the chain. Three nucleotides termed the anticodon, located at the center of one loop, can form base pairs with the three complementary nucleotides forming a codon in mRNA. As discussed later, specific aminoacyl-tRNA synthetases recognize the surface structure of each tRNA for a specific amino acid and covalently attach the proper amino acid to the unlooped amino acid acceptor stem. The 3′ end of all tRNAs has the sequence CCA, which in most cases is added after synthesis and processing of the tRNA are complete. Viewed in three dimensions, the folded tRNA molecule has an L shape with the anticodon loop and acceptor stem forming the ends of the two arms (Figure 4-26b).

Figure 4-26

Structure of tRNAs. (a) The primary structure of yeast alanine tRNA (tRNA Ala ), the first such sequence determined. This molecule is synthesized from the nucleotides A, C, G, and U, but some of the nucleotides, shown in red, are modified after synthesis: D =𠁝ihydrouridine, I = inosine, T = thymine, Ψ = pseudouridine, (more. )

Besides addition of CCA at the 3′ terminus after a tRNA molecule is synthesized, several of its nucleic acid bases typically are modified. For example, most tRNAs are synthesized with a four-base sequence of UUCG near the middle of the molecule. The first uridylate is methylated to become a thymidylate the second is rearranged into a pseudouridylate (abbreviated Ψ), in which the ribose is attached to carbon 5 instead of to nitrogen 1 of the uracil. These modifications produce a characteristic T㪌G loop in an unpaired region at approximately the same position in nearly all tRNAs (see Figure 4-26a).


Eukaryotic and Prokaryotic mRNA

Although mRNA serves the same functions in both prokaryotes and eukaryotes, some differences do exist. Here are the differences between the mRNA of two organisms.

  • The eukaryotic mRNA is made in the nucleus while prokaryotes make their mRNA in the cytoplasm
  • The eukaryotic mRNA is monocistronic i.e. codes for only one protein while the prokaryotic mRNA is polycistronic i.e. codes for multiple proteins
  • mRNA in eukaryotes contains a cap and a tail while they are absent in prokaryotic mRNA
  • The process of transcription and translation are coupled in prokaryotes while this is not the case in eukaryotes
  • Prokaryotic mRNA has a very short life while eukaryotic mRNA is more stable
  • Ribosomes identify prokaryotic mRNA via the Shine-Dalgarno sequence while eukaryotic mRNA is identified by its cap

Discovery of Ribosomal RNA

Ribosomal RNA was discovered during cell fractionation experiments investigating the role of RNA viruses in causing cancer. Fractionation is a method where cell membranes are carefully and selectively removed while keeping the function of cellular organelles intact. This homogenized cytoplasm is then centrifuged at increasing speeds so that organelles separate according to density. The initial experiments that revealed the presence of rRNA extracted a fraction that was thought to represent a new sub-cellular organelle, microsome, specializing in protein synthesis. Later, it was seen that it was the presence of ribosomes on endoplasmic reticulum that led to the detection of RNA in these samples.

Since ribosomal subunits and rRNA were first detected through differential centrifugation, they are still identified by their rate of sedimentation, through the Svedberg coefficient. However, since these are not measures of molecular weight, the coefficients cannot be directly added. For example, in prokaryotic ribosomes when the 50S larger subunit and 30S smaller subunit come together, the complex has a Svedberg coefficient of 70S.


Explained: Why RNA vaccines for Covid-19 raced to the front of the pack

Developing and testing a new vaccine typically takes at least 12 to 18 months. However, just over 10 months after the genetic sequence of the SARS-CoV-2 virus was published, two pharmaceutical companies applied for FDA emergency use authorization of vaccines that appear to be highly effective against the virus.

Both vaccines are made from messenger RNA, the molecule that cells naturally use to carry DNA’s instructions to cells’ protein-building machinery. A vaccine based on mRNA has never been approved by the FDA before. However, many years of research have gone into RNA vaccines, which is one reason why scientists were able to start testing such vaccines against Covid-19 so quickly. Once the viral sequences were revealed in January, it took just days for pharmaceutical companies Moderna and Pfizer, along with its German partner BioNTech, to generate mRNA vaccine candidates.

“What’s particularly unique to mRNA is the ability to rapidly generate vaccines against new diseases. That I think is one of the most exciting stories behind this technology,” says Daniel Anderson, a professor of chemical engineering at MIT and a member of MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research and Institute for Medical Engineering and Science.

Most traditional vaccines consist of either killed or weakened forms of a virus or bacterium. These provoke an immune response that allows the body to fight off the actual pathogen later on.

Instead of delivering a virus or a viral protein, RNA vaccines deliver genetic information that allows the body’s own cells to produce a viral protein. Synthetic mRNA that encodes a viral protein can borrow this machinery to produce many copies of the protein. These proteins stimulate the immune system to mount a response, without posing any risk of infection.

A key advantage of mRNA is that it is very easy to synthesize once researchers know the sequence of the viral protein they want to target. Most vaccines for SARS-CoV-2 provoke an immune response that targets the coronavirus spike protein, which is found on the surface of the virus and gives the virus its characteristic spiky shape. Messenger RNA vaccines encode segments of the spike protein, and those mRNA sequences are much easier to generate in the lab than the spike protein itself.

“With traditional vaccines, you have to do a lot of development. You need a big factory to make the protein, or the virus, and it takes a long time to grow them,” says Robert Langer, the David H. Koch Institute Professor at MIT, a member of the Koch Institute, and one of the founders of Moderna. “The beauty of mRNA is that you don’t need that. If you inject nanoencapsulated mRNA into a person, it goes into the cells, and then the body is your factory. The body takes care of everything else from there.”

Langer has spent decades developing novel ways to deliver medicines, including therapeutic nucleic acids such as RNA and DNA. In the 1970s, he published the first study showing that it was possible to encapsulate nucleic acids, as well as other large molecules, in tiny particles and deliver them into the body. (Work by MIT Institute Professor Phillip Sharp and others on RNA splicing, which also laid groundwork for today’s mRNA vaccines, began in the ’70s as well.)

“It was very controversial at the time,” Langer recalls. “Everybody told us it was impossible, and my first nine grants were rejected. I spent about two years working on it, and I found over 200 ways to get it to not work. But then eventually I did find a way to get it to work.”

That paper, which appeared in طبيعة سجية in 1976, showed that tiny particles made of synthetic polymers could safely carry and slowly release large molecules such as proteins and nucleic acids. Later, Langer and others showed that when polyethylene glycol (PEG) was added to the surface of nanoparticles, they could last in the body for much longer, instead of being destroyed almost immediately.

In subsequent years, Langer, Anderson, and others have developed fatty molecules called lipid nanoparticles that are also very effective at delivering nucleic acids. These carriers protect RNA from being broken down in the body and help to ferry it through cell membranes. Both the Moderna and Pfizer RNA vaccines are carried by lipid nanoparticles with PEG.

“Messenger RNA is a large hydrophilic molecule. It doesn’t naturally enter cells by itself, and so these vaccines are wrapped up in nanoparticles that facilitate their delivery inside of cells. This allows the RNA to be delivered inside of cells, and then translated into proteins,” Anderson says.

In 2018, the FDA approved the first lipid nanoparticle carrier for RNA, which was developed by Alnylam Pharmaceuticals to deliver a type of RNA called siRNA. Unlike mRNA, siRNA silences its target genes, which can benefit patients by turning off mutated genes that cause disease.

One drawback to mRNA vaccines is that they can break down at high temperatures, which is why the current vaccines are stored at such cold temperatures. Pfizer’s SARS-CoV-2 vaccine has to be stored at -70 degrees Celsius (-94 degrees Fahrenheit), and the Moderna vaccine at -20 C (-4 F). One way to make RNA vaccines more stable, Anderson points out, is to add stabilizers and remove water from the vaccine through a process called lyophilization, which has been shown to allow some mRNA vaccines to be stored in a refrigerator instead of a freezer.

The striking effectiveness of both of these Covid-19 vaccines in phase 3 clinical trials (roughly 95 percent) offers hope that not only will those vaccines help to end the current pandemic, but also that in the future, RNA vaccines may help in the fight against other diseases such as HIV and cancer, Anderson says.

“People in the field, including myself, saw a lot of promise in the technology, but you don’t really know until you get human data. So to see that level of protection, not just with the Pfizer vaccine but also with Moderna, really validates the potential of the technology — not only for Covid, but also for all these other diseases that people are working on,” he says. “I think it’s an important moment for the field.”


No, Really, mRNA Vaccines Are Not Going To Affect Your DNA

The short version: There is no plausible way that mRNA vaccines are going to alter your DNA. It would violate basically everything we know about cell biology.

Recently, I’ve gotten an influx of questions about how we can really be sure that mRNA vaccines will not affect our DNA. In my prior post on the subject I wrote:

Another concern raised has been the idea that mRNA can somehow alter the host’s genome. That would actually be super cool and be huge for gene therapy (and I could finally give myself the giant bat wings I’ve always wanted) but this is not so. This is ordinarily impossible except if there is also a reverse transcriptase enzyme present that produces DNA from the RNA template, which is how retroviruses work. There is no such risk with any mRNA vaccine candidate. mRNA vaccines act entirely within the cytosol of the cell- they do not go near the nucleus where all the DNA is. That’s actually a major advantage of RNA-based vaccines over DNA ones.

I gave this response in large part because I felt that the detailed discussion of reverse transcription, nuclear trafficking, the endocytic pathway, and the other 11 or so advanced cell biology topics that I would have to invoke to give this a rigorous answer was too complex to be of benefit to the average person wanting to know simply whether or not this is possible. However, I had a flurry of questions about “what ifs” relating to retroviruses or hepadnaviruses (hepatitis B), and I can grant that this response doesn’t address that, so here I will attempt to answer that as explicitly and with minimal complexity as I am capable.

To simplify the discussion so as to avoid having to explain the phases of phospholipid bilayers and the molecular composition of the lipid nanoparticle as it relates to stability (discussed in 1, 2, 3, 4), I will ask readers take for granted that mRNA vaccines are endocytosed and liberated (and this) into the cytoplasm of the cell.

Firstly, for mRNA to affect your DNA, at a minimum we need to establish that it would need to gain access to the DNA in question. There are two subcellular compartments where this can be accomplished. The first is the nucleus, so let’s start with a discussion of the trafficking of cargo in the nucleus. The nucleus of the cell is an isolated compartment with pore complexes (NPCs) that impose limits on the size of the particles that can freely enter. RNA is readily transported out as transcription occurs within the nucleus but the ribosomes required to produce proteins are in the cytosol or on the rough endoplasmic reticulum. This process is mediated by several accessory proteins which you can see on the left. Note however that there isn’t any physiological circumstance in which one might need RNA from the cytosol to be transported back to the nucleus. RNA is synthesized within the nucleus. Viruses which have a nuclear phase in their replication cycle have to have various tricks to be able to allow their RNA payload to enter. Though RNA is not readily transported into cells, proteins can be. This occurs via a network of proteins called importins (see figure 5–23C above). Proteins containing an amino acid sequence called the nuclear localization sequence (NLS there are 2 common ones) are able to bind the importins, which can then transport them across the nuclear pore complex as shown on the left. RNA viruses often have replication cycles that do not require access to the nucleus, but there are some exceptions. Influenza viruses for example are RNA viruses that have their genomes associated with ribonucleoproteins, and these ribonucleoproteins express nuclear localization signals that facilitates the entry of their genomic RNA into the nucleus. mRNA vaccines, on the other hand, are not associated with any proteins. Once inside the cytosol, the mRNA is naked and exposed to the harsh environment of ribosomes and exonucleases which destroy the mRNA in a matter of hours (at most). There is no conceivable mechanism by which mRNA can spontaneously be trafficked into the nucleus. Being made of nucleotides, it cannot contain a nuclear localization sequence.

The other relevant compartment would be the mitochondrion. Mitochondria are actually vestigial bacteria with their own genomes, and it’s thought that billions of years ago an ancient bacteria tried to consume the ancestor of the mitochondria but lacked the machinery to actually do the digesting and the two established a symbiotic relationship. Since that instance, the mitochondria have been an essential feature of our cell’s biologies. This allowed the mitochondria to develop an extremely reduced genome containing only 37 genes (most of the genes relevant to mitochondrial function are still in the nucleus). Mitochondria have their own ribosomes and even their own genetic code (sort of). There is also a specialized process for the clearance of diseased mitochondria called mitophagy, which is the subject of many excellent reviews e.g. this, this, and this.

The collective conclusion from our understanding of these biological process is that a naked mRNA in the cytosol has no potential to end up in a cellular compartment that contains our own DNA means that, irrespective of the presence or absence of other factors, there is no chance of harm to the DNA from the mRNA vaccine. But still people wanted to ask me about reverse transcriptases so let’s discuss those.

The process of going from RNA to DNA (the exact opposite of what the central dogma of molecular biology dictates) is known as reverse transcription, and it is carried out with an enzyme called a reverse transcriptase (which are a really interesting group of enzymes). In general, reverse transcription is performed by a few different genetic entities: retroviruses, hepadnaviruses, telomeres، و retrotransposons. These are worth defining.

  • Retroviruses are viruses who have an RNA genome, from which they create a DNA copy through reverse transcription that then integrates into the cell of the host (by which I mean, literally inserts itself into the host cell’s genome and becomes a permanent part of it, in the form of a sequence called a provirus). The proviral sequence itself can then be transcribed in the host cell to produce viral proteins and particles that can go on to spread to the next cell. The most famous retrovirus is HIV-1.
  • Hepadnaviruses are DNA viruses which have gapped genomes (there is one complete DNA strand and another partial DNA strand which is linked to a pregenomic RNA), and unlike retroviruses, do not integrate into the genome of the host cell they infect. The most famous example is Hepatitis B virus, for which multiple effective vaccines exist.
  • Telomeres are structures present at the ends of human chromosomes which are maintained by a protein complex called telomerase that uses a reverse transcriptase called TERT to maintain them. The reasons this is necessary are discussed in Figure 9–12 on the left. They are about 5–15 kilobases long normally, and shortening results in arrest of cell growth and replication (senescence), or can even trigger cell death by apoptosis.
  • Retrotransposons are actually the most abundant component of our genome. The human genome contains about 21,000–27,000 genes (the number you get depends on how precisely you define a gene and which source you consult), which span 40–48 million base pairs, but this accounts for only about 1.5% of the 3.2 billion total base pairs. Retrotransposons account for about 2 billion base pairs. There are several kinds of retroelements, which are worth discussing further:

  1. SINEs (short interspersed nuclear elements) which encode short transcripts like tRNAs, and cannot function without a LINE-encoded protein.
  2. LINEs (long interspersed nuclear elements) which encode a reverse transcriptase formed from the ORF1 and pol genes which can copy itself and other LINE and SINE elements into other regions of the genome.
  3. About 5–8% of the human genome is also composed of human endogenous retroviruses, HERVs, which also fall into the category of retrotransposons, more specifically LTR (long terminal repeats) retrotransposons (more on this shortly). HERVs contain 3 genes: gag (“group antigens,” which encodes a polyprotein that is cleaved into the structural proteins of the resultant retrovirus), pol (the reverse transcriptase needed for the virus to replicate), and env (envelope, which encodes the protein that gives the viral particles their shape).
  4. More broadly, the term retroelement refers to genetic sequences that have moved from one region of the genome to another via reverse transcription, and these include retrotransposons, and processed pseudogenes. Processed pseudogenes refer to the sequences of processed mRNA that lack introns that have been inserted via reverse transcription (we know they had to be inserted into the genome via reverse transcription in large part because they lack introns). They are incapable of producing any gene product.
  5. The only retrotransposons that can move through the genome (literally copy their DNA to new sites where it was not initially present) are the LINEs and SINEs, and of these, only a few are able to accomplish this. HERVs are stuck where they are, and processed pseudogenes are as well.

Telomerases evolved as a solution to the end replication problem. Nascent (new) DNA strands are synthesized with a leading strand and a lagging strand because the DNA polymerases have a very restricted directionality in that they must travel 3’ to 5’ with respect to the template strand. This creates a problem because the DNA is oriented antiparallel (the strands are parallel but one strand is oriented in the direction opposite to the other), so to make both strands at the same time, a single DNA polymerase would have to manage to concurrently travel what would be a Sisyphean length for it in opposite directions (imaging trying to simultaneously run east and west for 10 miles). To deal with this dilemma, one of the strands is synthesized as a leading strand with a polymerase traveling down the strand uninterrupted for many nucleotides (formally the term is “processively”), and a lagging strand in which fragments of DNA (called Okazaki fragments) are consistently generated that are complementary to the other strand that get ligated (fused) together. The dilemma is that because our chromosomes are not circular, there will always be a missing fragment once we reach the 3’ end of the chromosome, and thus each replication cycle of the DNA will cause the size of the genome to shrink, eventually with the potential to hit genes important for biological function. This is known as the end replication problem.

To your left you see a telomerase complex with its favorite telomerase RNA. The ends of the chromosome contain structures called telomeres, which are repetitive, short, palindromic sequences that get copied many times, until the gaps between the strands are filled for a length of about 5000 to 15000 nucleotides. The production of telomeric DNA occurs via a large protein complex called telomerase, which makes use of TERT (telomerase reverse transcriptase), a reverse transcriptase that takes an RNA template to make the palindromic DNA sequences. Importantly, cells eventually do lose their telomerase function, which is thought to represent a safeguard against cancer (cells that express telomerase at high levels can continue dividing- and therefore accumulating mutations, some of which might be harmful- indefinitely, and thus in most cells after about 50 divisions, the cells will cease to divide telomerase is notably expressed at high levels in stem cells). In practice, mice which have no functional telomerase will have substantial chromosomal shortening within 3 generations and by the fourth generation end up unable to reproduce. Here now, I have to shatter all your preconceived ideas about how RNA works. When speaking about DNA and RNA, we have a tendency to use the term “strand” which conjures up an image of a thread. The thread is relatively linear, it may curve, but the structure is relatively boring. This is a reasonable approximation of most DNA, as DNA can have basically one of 3 structures called A, B, and Z (there are rarer ones though such as i-motifs, and DNAzymes can do weird things). RNA on the other hand, is a much freer spirit when it comes to structure. RNA folds into complex shapes with all sorts of structural motifs in a manner not dissimilar to proteins, in that the structure of a protein relates directly to its function. What this means is: specific RNAs do specific things depending on how they fold, which depends on their sequence. To your right you can see a detailed diagram of telomerase RNA bound to the telomerase complex. That curvy thing with bars like a ladder and bubbles is the telomerase RNA. TERT, the reverse transcriptase of telomerase, binds the telomerase RNA at the core domain and a region called CR4/CR5. I won’t get into the other components of the complex but you can read in detail about how it works here and here. Immediately below the diagram to your right you can see how telomerase works to extend the 3’ cap of the chromosome through the aid of a repetitive, palindromic RNA sequence: CAAUCCCAAUC, which reproduces on the DNA a repeating “GGGTTA” to form a telomere with a length of about 5,000–15,000 nucleotides. For this to work, a bunch of things have to go right but solely for TERT to be able to recognize telomerase RNA there needs to be: the template for reverse transcription (the palindromic sequence CCCAAU), the pseudoknot domain (the core domain in the diagram), a stem–loop that interacts with TERT (CR4/CR5), and a 3′ element required for RNA stability (CR7). This is a very specific set of constraints and mRNA vaccines would have to be designed to have them (see image above for standard organization of an mRNA vaccine). Ribosomes also have intrinsic mRNA helicase activity that destroys such structures so that they can be read and processed for the synthesis of a protein. Additionally, the mature human telomerase RNA is 451 nucleotides in length. The mRNA from these vaccines is approximately 1200–1300 nucleotides long. It is too large to function as a telomerase RNA in humans (there are some animals which have telomerase RNAs of that size but we are not one of them) and given how precisely the telomerase RNA must fold, it is unlikely to assume the required structures for recognition and binding of the telomerase.

I initially considered discussing in detail the reverse transcriptases of the hepadnaviruses (i.e. hepatitis B) and retroviruses (i.e. HIV and HERVs) but the discussion quickly became inaccessible. Suffice it to say, reverse transcriptases are not capable of picking up any random RNA and generating a DNA from it. They require an RNA sequence to prime the reaction. For retroviruses, there is a tRNA that is stolen from the host cell and packaged into the virion. Furthermore, in the retroviruses, reverse transcription occurs within a nucleocapsid which allows dNTPs (the building blocks of DNA) in, but cannot permit something as large as an entirely separate RNA molecule spanning about 1200 bases. Reverse transcription by hepadnaviruses is similar in principle, requiring a pregenomic RNA segment that is chemically linked to the DNA of the hepadnavirus. Reverse transcription will not occur spontaneously with just any RNA. Even for RT-PCR reactions, the reaction requires the binding of an oligodeoxythymidine sequence to the polyA tail of the mRNA in question. Additionally, there’s a secondary requirement here to be able to “change” the DNA of the host: to actually manipulate it in some way. In the case of the hepadnaviruses this doesn’t really happen. The hepadnavirus genome gets into the nucleus and forms a covalently closed circular DNA with its own associated histones, essentially a small, separate chromosome. It doesn’t touch the host’s DNA. In the case of retroviruses, the DNA gets integrated into the host chromosome, and the effect depends on where it gets integrated. HIV for example has a strong bias for inserting itself into genes, which can be problematic if, for example, the gene produces a protein important for the maintenance of genome integrity (which could lead to cancer if left unchecked). The development of cancer from such a process however, cannot simply occur without many other things going wrong, like for instance a massive death of helper T cells that critically impairs the ability of the immune system to conduct surveillance of cells for evidence of malignancy and kill them, as happens in HIV. Now, should we choose to ignore everything thus far established about how cell biology works, including the need for a primer to initiate the reverse transcriptase reaction, and allow that a retrovirus readily permits integration of the resultant spike protein RBD or entire spike protein gene into the host, this would simply lead to the insertion of a gene that may be able to make the spike protein or just the RBD (depending on where it inserted and whether it could recruit transcriptional machinery), which would only serve to present to the immune system a foreign protein that it has been primed to respond against, and subsequently kill the cell. Also, as they are being delivered by an intramuscular injection, the cells in question would most likely be a muscle cell (which you can lose without loss of any eloquent function) or a dendritic cell (which you could also lose without any loss of significant immunological function).

To conclude, and I really hope this ends it:


شاهد الفيديو: لحظة وصولنا 2 مليون ومفاجاة كبيرة لسوار (كانون الثاني 2023).