Принцип работы РНК-термометра заключается в изменении вторичной структуры этой молекулы в ответ на изменение температуры. В ходе этих структурных изменений важные участки этой РНК, например, сайт связывания рибосомы[en], выставляются наружу или, наоборот, уходят вглубь молекулы, тем самым влияя на трансляцию близлежащего белоккодирующего гена.
Об открытии первого температурочувствительного РНК-элемента было сообщено в 1989 году[7]. Предшествующие исследования показали, что мутации, располагающиеся выше сайта начала трансляции в мРНК cIII фага лямбда (λ), оказывают влияние на уровень трансляции белка cIII[8]. Этот белок участвует в выборе программы (литический или лизогенный путь) жизненного цикла фага λ, причём высокая концентрация белка cIII соответствует лизогенному пути[8]. Дальнейшие исследования показали, что у этого вышестоящего участка РНК имеются две альтернативные вторичные структуры. Оказалось, что эти структры не взаимозаменяемы и зависят от концентрации ионов Mg2+ и температуры[7][9]. Сейчас считается, что эти РНК-термометры запускают литический путь в условиях теплового шока, чтобы бактериофаг смог быстро реплицироваться и покинуть клетку-хозяина[1].
Термин «РНК-термометр» не использовался до 1999 года[10], когда так был назван РНК-элемент rpoHбактерииEscherichia coli[11]. В недавнее время с помощью методов биоинформатики было выявлено несколько новых возможных РНК-термометров[12]. В этом случае обычный поиск по последовательностям неэффективен, так как вторичная структура РНК-термометров гораздо более консервативна, чем их нуклеотидные последовательности[12].
Для изучения работы РНК-термометров применяют различные подходы. Для изучения динамики РНК-термометров можно заменять в них обычные нуклеотиды в определённых сайтах на флуоресцентные и, таким образом, наблюдать за их изменениями[13]. Для определения положения РНК-термометра в исследуемой последовательности при определённых температурах был разработан специальный web-сервер RNAthermsw[14]. Для идентификации бактериальных РНК-термометров используются и генетические методы, например, Tet-Trap[15].
Пространственная структура РНК-термометра ROSE[20]
Структура РНК-термометров проста и может быть образована короткими последовательностями РНК. Длина наименьшего из известных РНК-термометров составляет 44 нуклеотида. Он располагается в мРНК белка теплового шока (hsp17) у цианобактерииSynechocystis[en] sp.PCC 6803[6]. В общем случае длина РНК-термометров варьирует от 60 до 110 нуклеотидов[21], и они, как правило, содержат шпильку, в которой небольшая доля оснований не спарена. Они уменьшают стабильность структуры, благодаря чему она может легко расплавляться при повышении температуры[16].
Детальный структурный анализ РНК-термометра ROSE показал, что неспаренные основания на самом деле принимают участие в нестандартном спаривании оснований, которое поддерживает спиральную структуру РНК. Эти необычные пары представлены парами G-G, U-U и UC-U. Поскольку эти неканонические пары относительно нестабильны, повышение температуры вызывает локальное расплавление РНК в этой области, из-за чего последовательность Шайна — Дальгарно выставляется наружу[20].
Некоторые РНК-термометры имеют гораздо более сложную структуру, чем единственная шпилька, как в случае 5'-UTR мРНК CspA[en], где РНК-термометр содержит псевдоузел и множество шпилек[22][23].
Стабильная шпилька (слева) расплетается при высокой температуре (справа). Выделенная последовательность Шайна — Дальгарно выставляется наружу, позволяя малой субъединице рибосомы (30S) присоединиться к мРНК[1]
РНК-термометры располагаются в 5'-UTR мРНК, выше кодирующей последовательности[1]. В отличие от рибопереключателей, действующих на уровне транскрипции, трансляции и регуляции стабильности мРНК, все известные на данный момент РНК-термометры действуют на уровне инициации трансляции[26]. Структурные изменения в РНК-термометров могут убирать сайт связывания рибосомы в глубь молекулы и тем самым предотвращать трансляцию мРНК в белок[16]. При повышении температуры шпилечная структура РНК-термометра может плавиться, выставляя наружу сайт связывания рибосомы или последовательность Шайна — Дальгарно (а в некоторых случаях старт-кодон AUG[18]), позволяя малой субъединице рибосомы (30S[en]) связаться с мРНК, вслед за чем собирается и весь аппарат трансляции[1]. Старт-кодон, располагающийся, как правило, на 8 нуклеотидов ниже последовательности Шайна — Дальгарно[16], отмечает начало белоккодирующей области, которую рибосома транслирует в пептид. Помимо таких цис-действующих РНК-термометров известен единственный транс-действующий РНК-термометр, располагающийся в мРНК RpoS[en], где он, как предполагается, регулирует ответ на длительное голодание[1].
В качестве примера можно рассмотреть РНК-термометр FourU Salmonella enterica[3]. Под действием температур выше 45 °C шпилька, содержащая последовательность Шайна — Дальгарно, плавится, последовательность Шайна—Дальгарно становится неспаренной и трансляция мРНК становится возможной[25]. Показано, что на стабильность FourU влияет концентрация Mg2+[27]. Наиболее изучен РНК-термометр, расположенный в мРНК гена rpoH у E. coli[28]. Этот термосенсор положительно регулирует трансляцию белков теплового шока при высоких температурах посредством специализированного сигма-фактора σ32[10].
Хотя РНК-термометры обычно связаны с экспрессией белков теплового шока, они могут также регулировать экспрессию белков холодового шока[22]. Например, у термофильной бактерии Thermus thermophilus экспрессия двух белков массой 7 кДа регулируется РНК-термометром[30], кроме того, похожий механизм был описан у Escherichia coli[23].
Иногда оперон может регулироваться несколькими РНК-термометрами. Предсказано, что оперон ibpABE. coli содержит два кооперативных РНК-термометра: элемент ROSE и IbpB-термометр[en][35].
Стоит также отметить, что РНК-термометры могут использоваться не только для регуляции трансляции моноцистронных транскриптов, содержащих одну последовательность Шайна — Дальгарно, но и для полицистронных транскриптов, содержащих несколько последовательностей Шайна — Дальгарно[18]. Например, у Pseudomonas putida[en] устойчивость к стрессу обеспечивается трицистронным опероном, консервативным среди многих свободноживущих бактерий. Первые два гена этого оперона регулируются РНК-термометрами[36].
Гипотеза мира РНК утверждает, что изначально РНК выступала носителем наследственной информации и осуществляла ферментативные процессы, причём различные последовательности РНК выступали биокатализаторами, регуляторами и сенсорами[37]. Позже под действием отбора большая часть функций, осуществляемых РНК, стала выполняться другими биомолекулами, и на смену жизни, основанной исключительно на РНК, пришла жизнь, основанная на ДНК, РНК и белке[2].
Считается, что РНК-термометры и рибопереключатели являются эволюционно древними элементами, поскольку они широко распространены у самых эволюционно далёких организмов[38]. Было высказано предположение, что в мире РНК РНК-термометры осуществляли температурозависимую регуляцию других РНК[2][39]. У современных организмов РНК-термометры, возможно, являются «молекулярными ископаемыми», которые в ушедшем мире РНК были гораздо более распространены, чем сейчас[2].
Для температурного контроля экспрессии генов у бактерий разрабатываются искусственные РНК-термометры[40][24].
В 2013 году были разработаны «термозимы» — искусственные РНК-термометры с рибозимной активностью. Термосенсорная шпилька в расплавленном состоянии подавляет работу рибозима, который высвобождает последовательность связывания рибосомы. При повышенных температурах шпилька плавится, рибозим инактивируется и экспрессия гена подавляется. Таким образом, термозим реагирует на повышенные температуры противоположно природным РНК-термометрам[41].
В 2016 году было сообщено о создании «термопереключателей» — интеграции температурочувствительных РНК-термометров и аптамеров рибопереключателей в единую структуру. Термопереключатели функционируют как рибопереключатели при низких температурах и реагируют на связывание со своим лигандом изменением структуры, а при высокой температуре они переходят в постоянно «включённое» состояние. Таким образом, термопереключатели — первые РНК-термометры, действующие на уровне транскрипции. Подобные искусственные РНК-регуляторы могут широко применяться для регуляции экспрессии генов[26].
В 2016 году был предложен алгоритм RNAiFold2T для разработки особых РНК-термометров, содержащих IRES. Кэп-независимая трансляция таких термо-IRES-элементов примерно на 50 % интенсивнее при 42 °С, чем при 30 °С. Впрочем, эффективность их трансляции всё равно меньше, чем у IRES дикого типа, которая не зависит от температуры[42].
