Параспеклы

Микрофотография клеток HeLa с меченым белком параспекл PSP1:
1. цитоплазма;
2. ядро;
3. ядрышко;
4. параспеклы

Параспе́клы (англ. Paraspeckles) — класс ядерных телец, располагающихся в интерхроматиновом пространстве клеточного ядра в клетках млекопитающих. Они состоят из белков и РНК и формируются при взаимодействии длинной некодирующей РНК, известной как NEAT1/Men ε/β[en], и белков семейства DBHS (от англ. Drosophila Behavior Human Splicing), а именно P54NRB/NONO[en], PSPC1 и PSF/SFPQ. Параспеклы играют важную роль в регуляции экспрессии генов, обеспечивая удержание в ядре молекул РНК, содержащих двуцепочечные участки и подвергшихся редактированию аденозининозин (A → I). Регулируя экспрессию генов, параспеклы оказываются вовлечёнными в такие процессы, как дифференцировка клеток, ответ на стресс и протекание вирусных инфекций[1]. Имеются данные о связи параспекл с раком и заболеваниями нервной системы[2].

Содержание

История изученияПравить

Параспеклы были открыты в 2002 году Андерсеном и коллегами в ходе изучения протеома очищенных ядрышек клеток человека с помощью масс-спектрометрии. В ходе исследования был выделен 271 белок, из которых 30 % оказались ранее неизвестными. Более детальное изучение одного из этих новооткрытых белков показало, что он вовсе не накапливается в ядрышках, а располагается в нуклеоплазме диффузно, но сильно концентрируется в 5—20 ядерных фокусах. Оказалось, что эти фокусы не перекрываются ни с одним из ранее известных ядерных телец, и они получили название «параспеклы» из-за расположения вблизи других ядерных телец — спекл. Сам же белок получил название PSPC1 (от англ. Paraspeckle Protein 1)[1].

СтруктураПравить

Параспеклы — это мелкие тельца неправильной формы. В зависимости от типа клеток обычно в ядре имеется от 5 до 20 параспекл. Изучение с помощью электронной и флуоресцентной микроскопии показало, что параспеклы человека имеют ширину около 360 нм (у мыши чуть меньше) и длину от 1 до 2 мкм. Достоверно существование параспекл показано только для клеток млекопитающих. У человека параспеклы отсутствуют в эмбриональных стволовых клетках и индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. Ортологи ключевых белков параспекл обнаруживаются у других позвоночных и беспозвоночных животных, однако длинная некодирующая РНК NEAT1, необходимая для формирования параспекл, есть только у млекопитающих, с чем, по-видимому, и связано отсутствие параспекл в ядрах других организмов. Количество и длина параспекл пропорциональны уровню экспрессии длинной изоформы NEAT1[3][2].

Последние исследования с использованием электронной микроскопии и микроскопии сверхвысокого разрешения[en] показали, что параспеклы представляют собой цепочки слитых сферических субкомпартментов, каждый из которых имеет коровую часть и оболочку. 5'- и 3'-концы длинной изоформы NEAT1 локализуются в оболочке, а остальная часть молекулы находится в коровой части. Разные белки параспекл тоже локализуются в разных частях параспекл[2].

Параспеклы располагаются в интерхроматиновом пространстве, зажатые между более крупными ядерными спеклами и хроматином. Показано, что внутри параспекл РНК-полимераза II неактивна, и транскрипция, опосредованная этим ферментом, происходит только у края параспекл[4].

Связь параспекл с ядрышком ещё не до конца понятна, однако один из ключевых белков параспекл, PSPC1, может перемещаться между параспеклами и ядрышком. Кроме того, при подавлении работы РНК-полимеразы II белки параспекл локализуются в особых околоядрышковых кэпах[4].

КомпонентыПравить

В параспеклах в больших количествах накапливается свыше 40 различных белков[2] и РНК. Большинство белков параспекл связаны с транскрипцией, опосредуемой РНК-полимеразой II, и процессингом РНК. Одна из двух РНК, накапливающихся в параспеклах, называется Ctn и участвует в регуляции экспрессии генов путём удержания РНК в ядре. Вторая РНК называется NEAT1 и играет архитектурную роль, являясь необходимой для формирования и поддержания структуры параспекл. Основные компоненты параспекл перечислены в таблице ниже[5].

Название Класс Синонимы Комментарии
P54NRB Белок NONO, NMT55, NRB54 Член семейства DBHS. Необходим для целостности параспекл в клетках HeLa
PSF[en] Белок SFPQ Член семейства DBHS. Необходим для целостности параспекл в клетках HeLa
PSPC1 Белок PSP1 Член семейства DBHS
CoAA[en] Белок PSP2, RBM14, SIP, SYTIP1 Корегулятор транскрипции/сплайсинга
CFIM68[en] Белок CPSF6, HPBRII-4 Фактор разрезания, также встречается в ядерных спеклах
SOX9[en] Белок SRA1 Транскрипционный фактор, важный для регуляции развития
WTX[en] Белок Белок-супрессор опухолей
WT1(+KTS)[en] Белок WAGR Частично колокализуется с параспеклами
BCL11A[en] Белок CTIP1, ZNF856 Транскрипционный фактор, содержащий мотив «цинковый палец»
РНК-полимераза II Белок Также ассоциирована с ядерными спеклами и хроматином
NEAT1 РНК Men ε/β, VINC-1 Длинная некодирующая РНК, необходимая для целостности параспекл
Ctn РНК Специфична для мышей

БелкиПравить

Важнейшими компонентами параспекл являются три белка семейства DBHS: PSF/SFPQ, NONO/P54NRB и PSPC1. Они локализуются в нуклеоплазме и в параспеклах. Чаще всего в качестве маркера для параспекл используется белок PSPC1, поскольку он в меньшей степени накапливается в нуклеоплазме. Два N-концевых РНК-связывающих мотива и С-концевой биспиральный мотив[en] (англ. coiled coil) у этих белков на 50 % совпадают по последовательности. Эти белки играют важную структурную роль в параспеклах: так, нокдаун белков P54NRB и PSF в клетках HeLa приводит к утрате параспекл. По сравнению с P54NRB и PSF, PSPC1 экспрессируется не так обильно, и его нокдаун не приводит к утрате параспекл. Эти три белка взаимодействуют друг с другом и, вполне вероятно, внутри клеток они находятся в виде гомо- или гетеродимеров. Взаимодействие друг с другом осуществляется через биспиральный мотив. Для локализации этих белков в параспеклах необходимы как домены, содержащие С-концевые биспиральные мотивы, так и РНК-связывающие[en] домены. Члены семейства DBHS связывают одно- и двуцепочечные молекулы ДНК и РНК и участвуют во многих этапах синтеза и процессинга РНК. Кроме того, PSF и P54NRB связывают и удерживают внутри ядра транскрипты, подвергшиеся интенсивному редактированию аденозин → инозин. Они также функционируют в цитоплазме, например, PSF и P54NRB входят в состав переносящих РНК гранул в дендритах, однако только P54NRB может активно транспортироваться из ядра в цитоплазму. Интересно, что P54NRB участвует в регуляции циркадных ритмов у млекопитающих[6].

Белками параспекл считают такие белки, которые колокализуются в определённых ядерных локусах вместе с белками семейства DBHS, однако общая картина локализации этих белков может значительно различаться. Например, белок CFIM68 можно наблюдать в параспеклах, но он также встречается и в ядерных спеклах; в то же время РНК-полимераза II, кроме параспекл, выявляется в хроматине и ядерных спеклах. Наконец, некоторые белки обнаруживаются в параспеклах только в условиях сверхэкспрессии, например, BCL11A, WTX, WT1(+KTS) и CoAA[7].

Белки параспекл, не входящие в семейство DBHS, обычно являются транскрипционными факторами или корегуляторами транскрипции. CoAA функционирует как транскрипционный коактиватор, регулирующий транскрипцию, опосредованную рецепторами стероидных гормонов[en], и альтернативный сплайсинг. WTX — корегулятор транскрипции и супрессор опухолей, он коактивирует транскрипцию белка WT1, который также может локализоваться в параспеклах. SOX9 — это транскрипционный фактор, играющий важнейшую роль в формировании костей. Он непосредственно взаимодействует с P54NRB, а его сверхэкспрессия приводит к изменению локализации P54NRB и PSPC1. BCL11A является транскрипционным фактором, который вовлечён в развитие В-клеточных лимфом[en]/лейкемий. Фактор разрезания CFIM68 необходим для первого этапа процессинга 3'-конца пре-мРНК[8].

Для формирования параспекл строго необходимы белки NONO и SFPQ. Кроме того, нокдаун таких белков, как HNRNPK, DAZAP1, FUS, RBM14 и HNRNPH3 приводит к отсутствию параспекл[2].

РНКПравить

До описания конкретных РНК, входящих в параспеклы, был известен ряд свидетельств того, что параспеклы действительно содержат РНК помимо белков. Во-первых, параспеклы разрушаются при обработке клеток РНКазой. Во-вторых, во всех важнейших белках параспеклах содержатся мотивы, связывающие РНК, кроме того, все эти белки так или иначе участвуют в процессинге РНК. В-третьих, для локализации PSPC1 в параспеклах необходим РНК-связывающий домен этого белка. Наконец, параспеклы исчезают при подавлении транскрипции, опосредованной РНК-полимеразой II, и снова появляются при возобновлении транскрипции. Известны две РНК, входящие в состав параспекл: Ctn и NEAT1/Men ε/β[9].

Ctn стала первой открытой РНК параспекл, она была описана в 2005 году. Это специфичный для мышей транскрипт с поли(А)-хвостом, который считывается с локуса mCAT2. В состав Ctn входят все экзоны белка-транспортера CAT2, однако, в отличие от мРНК этого белка, Ctn синтезируется с другого промотора и имеет более длинную 3'-нетранслируемую область (3'-НТО). Ctn локализуется не только в параспеклах, но и в нуклеоплазме. 3'-НТО этой РНК подвергается интенсивному редактированию А → I, причём редактируются инвертированные повторы, благодаря которым в структуре РНК образуются двуцепочечные участки. С инозином в РНК связывается белок параспекл P54NRB, который, кроме того, связывается с Ctn in vivo. Вероятно, благодаря связыванию с белками параспекл Ctn остаётся в параспеклах, а не экспортируется в цитоплазму. Под действием ряда стрессовых сигналов 3'-НТО Ctn разрезается, и количество этой РНК в ядре падает[10].

В 2009 году несколько групп исследователей независимо открыли вторую РНК параспекл — NEAT1. Эта длинная некодирующая РНК необходима для формирования и поддержания структурной целостности параспекл. Известно два варианта NEAT1, различающихся своей длиной; структурную роль в параспеклах играет длинная изоформа[2]. Интересно, что длинная изоформа NEAT1 подвергается разрезанию очень близко к 3'-концу, из-за чего образуется очень короткая молекула РНК, похожая на тРНК. Нокдаун NEAT1 приводит к полной утрате параспекл, а сверхэкспрессия этой РНК приводит к увеличению количества параспекл в некоторых клеточных линиях[en]. Кроме того, параспеклы формируются вблизи генов NEAT1. По-видимому, как и в случае Ctn, локализация NEAT1 в параспеклах связана с взаимодействием с белками семейства DBHS, хотя NEAT1 не подвергается редактированию А → I. По изменению количества NEAT1 в клетке можно судить о функционировании параспекл. Человеческие эмбриональные стволовые клетки, а также индуцированные плюрипотентные стволовые клетки[2] не экспрессируют NEAT1 и не имеют параспекл, несмотря на экспрессию белков DBHS, однако при начале дифференцировки параспеклы появляются. Кроме того, с появлением параспекл усиливается накопление в ядре мРНК, подвергшихся редактированию А → I[11].

ФормированиеПравить

Согласно существующей модели, формирование параспекл начинается с образования транскриптов NEAT1 в ядрах дочерних клеток вскоре после клеточного деления. Вскоре после синтеза молекулы NEAT1 формируют комплексы с белками DBHS, причём транскрипты NEAT1 не успевают удалиться от своего локуса. Сформированные параспеклы, вероятнее всего, состоят из множества комплексов NEAT1 с белками DBHS и довольно динамичны: отдельные молекулы белков DBHS могут уходить в нуклеоплазму и обратно. Вероятно, в формировании параспекл задействована способность белков DBHS к олигомеризации, а также взаимодействия непосредственно между самими молекулами РНК NEAT1. В отсутствие NEAT1 параспеклы неспособны поддерживать свою структурную целостность и не формируются заново[12]. Согласно последним данным, в формировании параспекл задействовано разделение фаз на границе жидкость—жидкость (англ. liquid-liquid phase separation)[2].

ФункцииПравить

Основной функцией параспекл является удержание в ядре мРНК, содержащих двуцепочечные участки, сформированные при помощи инвертированных повторов[en], и подвергшихся редактированию аденозин → инозин. Удержание РНК в ядре связано с клеточным ответом на стресс, вирусные инфекции, а также поддержанием циркадных ритмов. Судя по всему, параспеклы участвуют в перепрограммировании клетки, которое происходит при дифференцировке; возможно, путём удержания РНК в ядре параспеклы изменяют экспрессию ключевых белков. Отсутствие NEAT1 и параспекл потенциально может служить маркером плюрипотентности. Белок параспекл CFIM68 может регулировать высвобождение РНК из ядра, внося в РНК разрезы[13].

Параспеклы могут избирательно накапливать внутри себя определённые белки, приводя к понижению концентрации этих белков в других местах. Это, в свою очередь, может влиять на экспрессию ряда генов[2].

Согласно последним данным, параспеклы могут локализоваться непосредственно на сайтах начала транскрипции активно транскрибируемых генов. Белки параспекл SFPQ и NONO участвуют в процессинге микроРНК, причём накопление этих белков в параспеклах способствует эффективному процессингу микроРНК[2].

Физиологическое и клиническое значениеПравить

Параспеклы и NEAT1 не являются строго необходимыми для развития млекопитающих в нормальных условиях, так как мыши, лишённые NEAT1, жизнеспособны. Тем не менее, у некоторых самок таких мышей наблюдались отклонения в формировании и функционировании яичниковых секреторных желёз и жёлтого тела, что снижает фертильность. Возможно, параспеклы выполняют какую-то эволюционно консервативную функцию в клетках секреторных структур женской репродуктивной системы млекопитающих: так, у опоссума в клетках маточных желёз имеются хорошо оформленные параспеклы. Любопытно, что подобные эффекты наблюдались не у всех нокаутных самок, а лишь у некоторых, что можно связать с необходимостью функционирования параспекл при стрессовых условиях окружающей среды[2].

Уровень экспрессии длинной изоформы NEAT1 повышается при заражении клетки некоторыми РНК-содержащими вирусами[en], такими как вирус японского энцефалита, бешенства, ВИЧ, вирус гриппа и вирус Хантаан, а также ДНК-содержащим вирусом простого герпеса. В большинстве случаев это повышение есть защитный механизм. Повышение количества параспекл приводит к накоплению в них большого количества белков, которые вирус не сможет использовать для своего размножения, а также изменению экспрессии ряда генов[2].

В случае рака экспрессия NEAT1 может понижаться, повышаться по сравнению с нормальной тканью или оставаться неизменной. Мутации в гене NEAT1 связывают с развитием рака печени и рака молочной железы. Имеются данные, что NEAT1 может даже стимулировать образование метастазов[14]. Повышение экспрессии NEAT1 и увеличение количества параспекл может быть связано со стрессовыми условиями, в которых находятся раковые клетки, однако параспеклы могут иметь и онкогенную роль. В случае рака предстательной железы повышение количества параспекл и экспрессии NEAT1 соответствует более агрессивным формам заболевания. Есть, однако, и свидетельства того, что параспеклы могут подавлять развитие опухолей[2].

Параспеклы могут играть особые роли в функционировании нервной системы. Показано, что после эпилептического припадка в некоторых участках мозга мышей повышалась экспрессия длинной изоформы NEAT1. Параспеклы могут быть задействованы в развитии бокового амиотрофического склероза[2].

Имеются свидетельства, что NEAT1 может регулировать воспалительный процесс, запуская образование параспекл в макрофагах[15].

ПримечанияПравить

  1. 1 2 The Nucleus, 2011, p. 274.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Fox A. H., Nakagawa S., Hirose T., Bond C. S. Paraspeckles: Where Long Noncoding RNA Meets Phase Separation. (англ.) // Trends in biochemical sciences. — 2017. — DOI:10.1016/j.tibs.2017.12.001. — PMID 29289458. исправить
  3. The Nucleus, 2011, p. 275—276.
  4. 1 2 The Nucleus, 2011, p. 276.
  5. The Nucleus, 2011, p. 277.
  6. The Nucleus, 2011, p. 277—278.
  7. The Nucleus, 2011, p. 278—279.
  8. The Nucleus, 2011, p. 279.
  9. The Nucleus, 2011, p. 279—280.
  10. The Nucleus, 2011, p. 280.
  11. The Nucleus, 2011, p. 281—284.
  12. The Nucleus, 2011, p. 284.
  13. The Nucleus, 2011, p. 284—285.
  14. Fu M. C., Yuan L. Q., Zhang T., Yan X. M., Zhou Y., Xia H. L., Wu Y., Xu L. X., Cao X., Wang J. Nuclear paraspeckle assembly transcript 1 promotes the metastasis and epithelial-mesenchymal transition of hepatoblastoma cells by inhibiting miR-129-5p. (англ.) // Oncology letters. — 2017. — Vol. 14, no. 5. — P. 5773—5778. — DOI:10.3892/ol.2017.6995. — PMID 29113206. исправить
  15. Huang-Fu N., Cheng J. S., Wang Y., Li Z. W., Wang S. H. Neat1 regulates oxidized low-density lipoprotein-induced inflammation and lipid uptake in macrophages via paraspeckle formation. (англ.) // Molecular medicine reports. — 2018. — Vol. 17, no. 2. — P. 3092—3098. — DOI:10.3892/mmr.2017.8211. — PMID 29257236. исправить

ЛитератураПравить