У этого термина существуют и другие значения, см. Экзосомы.
Эта статья — о внутриклеточном белковом комплексе, участвующем в процессинге РНК. О внеклеточных везикулах, выделяемых в межклеточное пространство см. экзосомы.
Коровую (центральную) часть экзосомы составляет шестичленное кольцо, к которому прикрепляются другие белки. У эукариот экзосомы присутствуют в цитоплазме, ядре и особенно ядрышке, хотя в этих компартментах имеются некоторые белки, взаимодействующие с экзосомами и регулирующие их активность по деградации РНК-субстратов, специфичных для этих клеточных компартментов. К субстратам экзосомного комплекса относят мРНК, рРНК и многие другие виды малых РНК. Экзосома обладает экзорибонуклеолитической активностью, то есть разрушает молекулы РНК, начиная с одного их конца (3′-конца), а у эукариот для неё характерна также эндорибонуклеолитическая активность, то есть она способна разрезать РНК в местах (сайтах), расположенных во внутренней части молекулы.
Экзосома впервые была описана в 1997 году как РНКазапочкующихсядрожжейSaccharomyces cerevisiae[1]. Вскоре, в 1999 году, было установлено, что экзосома дрожжей эквивалентна уже описанным к тому моменту комплексам PM/Scl человека, которые несколькими годами ранее были изначально описаны как аутоантиген у пациентов с некоторыми аутоиммунными расстройствами[2]. Выделение таких человеческих PM/Scl-комплексов позволило идентифицировать другие экзосомные белки и, наконец, описать все компоненты комплекса[3][4]. В 2001 году увеличивающийся объём геномных данных позволил предсказать наличие экзосомных белков у архей, хотя первый экзосомный комплекс был выделен у архей лишь два года спустя[5][6].
Структура
Коровые белки
Коровая (центральная) часть комплекса имеет кольцевую структуру и состоит из 6 белков, каждый из которых принадлежит к одному и тому же классу РНКаз — белкам, подобным РНКазе РН[англ.][7]. У архей имеются два различных белка, подобных РНКазам РН — Rrp41 и Rrp42, каждый из которых трижды встречается в кольце и перемежается с белком другого вида. У эукариот кольцевая структура образована шестью различными белками[8][9]. Из шести эукариотических белков три белка напоминают белок Rrp41 архей, а три других — Rrp42[10].
Поверх этих кольцевых белков располагаются три белка, содержащих РНК-связывающие[англ.]доменыS1[англ.]. У двух из трёх этих белков, кроме того, имеется К-гомологичный домен[англ.][7]. У эукариот все три этих S1-содержащих белка различны, а у архей они представлены белками одного или двух различных видов, хотя во всех случаях к кольцу прикрепляется только три субъединицы[11].
Кольцевая структура экзосомы очень схожа с таковой у РНКазы РН и полинуклеотидфосфорилазы[англ.] (PNPазы). У бактерий РНКаза РН, участвующая в процессингетРНК, образует гексамерное кольцо, состоящее из шести идентичных субъединиц[12][13]. В случае PNPазы (фосфоролитического РНК-деградирующего фермента (имеющегося у бактерий, а также у хлоропластов и митохондрий некоторых эукариот) оба домена РНКазы РН, а также S1- и КН-РНК-связывающие домены являются частями одного-единственного белка, который формирует тримерный комплекс, по структуре[англ.] почти совершенно совпадающий с экзосомой[14]. Из-за высокого сходства и белковых доменов, и структуры эти комплексы считаются эволюционно родственными и имеют одного общего предка[15]. Экзосомные белки, подобные РНКазе РН — RNPаза и РНКаза РН, — входят в семейство РНКазы РН РНКаз и являются фосфоролитическими экзорибонуклеазами, то есть используют неорганический фосфат для удаления нуклеотидов с 3′-конца молекул РНК[7].
Ассоциированные белки
Кроме вышеперечисленных девяти коровых белков, с экзосомами эукариот также часто ассоциированы два других белка. Один из них — Rrp44, гидролитическая РНКаза, которая принадлежит к семейству РНКазы R[англ.] гидролитических экзорибонуклеаз (использующих воду для разрыва связей между нуклеотидами). Кроме экзорибонуклеотической активности, Rrp44 также может функционировать как эндорибонуклеаза, эту активность проявляет отдельный домен этого белка[16][17]. У дрожжей Rrp44 ассоциирован со всеми экзосомными комплексами и необходим для их функционирования[18]. Хотя у человека имеется белок-гомолог Rrp44, долгое время не было доказательств того, что этот гомолог тоже ассоциирован с экзосомами[7]. Однако в 2010 году было установлено, что у человека существует три гомолога Rrp44 и два из них могут работать вместе с экзосомами. Наиболее вероятно, что эти два белка разрушают различные РНК-субстраты из-за различной локализации в клетке: один — Dis3L1 — локализован в цитоплазме, а другой — Dis3[англ.] — в ядре[19][20].
Другой белок, часто ассоциированный с экзосомой, — Rrp6 (у дрожжей) или PM/Scl-100 (у человека), как и Rrp44, этот белок является гидролитической экзорибонуклеазой, однако принадлежит к семейству РНКазы D[англ.][21]. Белок PM/Scl-100 наиболее часто встречается в экзосомных комплексах, локализованных в ядре, однако может входить в состав и цитоплазматических экзосом[22].
Регуляторные белки
Кроме двух вышеназванных белков, прочно связанных с экзосомным комплексом, многие белки взаимодействуют с экзосомами в цитоплазме и ядре клетки. Эти белки, слабо связывающиеся с экзосомами, могут регулировать активность и специфичность экзосомных комплексов. В цитоплазме экзосома взаимодействует с белками, связывающимися с AU-обогащёнными элементами, в том числе KRSP и TTP[англ.], которые стимулируют или предотвращают деградацию РНК. Ядерные экзосомы связываются с РНК-связывающими белками (в том числе MPP6/Mpp6 и C1D/Rrp47 у человека/дрожжей), которые необходимы для процессинга некоторых субстратов[7].
Как было показано выше, в экзосомный комплекс входит много белков с рибонуклеазными доменами. Конкретная природа этих доменов менялась в ходе эволюции от бактериальных комплексов до комплексов архей и эукариот, и различные ферментативные активности утрачивались или приобретались. Экзосома функционирует главным образом как 3′→5′-экзорибонуклеаза, то есть разрушает молекулы РНК начиная с их 3′-конца. Экзорибонуклеазы, входящие в состав экзосомы, могут быть или фосфоролитическими (как белки, подобные РНКазе РН), или, у эукариот, гидролитическими (белки, содержащие домены РНКазы R и D). Фосфоролитические ферменты используют неорганический фосфат для разрыва фосфодиэфирных связей и высвобождения нуклеотиддифосфатов. Гидролитические ферменты используют воду для гидролиза этих связей с высвобождением нуклеотидмонофосфатов.
У архей белок Rrp41 экзосомного комплекса является фосфоролитической экзорибонуклеазой. В кольце присутствуют три копии этого белка, они отвечают за активность комплекса[9]. У эукариот все субъединицы РНКазы РН утратили свою каталитическую активность, то есть коровое кольцо человеческой экзосомы не содержит ни одного активного фермента[25]. Несмотря на утрату каталитической активности, структура кора экзосомы высококонсервативна от архей до людей, подтверждая, что этот комплекс жизненно необходим для функционирования клетки. У эукариот потеря фосфоролитической активности компенсируется наличием гидролитических ферментов, которые у этих организмов обеспечивают рибонуклеазную активность экзосомы[26][25][27].
Как отмечалось выше, гидролитические белки Rrp6 и Rrp44 ассоциированы с экзосомами дрожжей и людей, кроме того, Rrp6 и два различных белка — Dis3 и Dis3L1 — могут связываться с экзосомой на месте дрожжевого белка Rrp44[19][20]. Хотя изначально считалось, что белки, содержащие S1-домен, проявляют 3′→5′-экзорибонуклеазную активность, существование этой активности у этих белков недавно было подвергнуто сомнению, и эти белки могут только играть роль в связывании субстрата с комплексом до деградации[26].
Субстраты
Экзосомы вовлечены в деградацию и процессинг многих РНК, в цитоплазме клетки они вовлечены в круговорот мРНК. Экзосомы могут разрушать мРНК, которые были помечены для деградации из-за содержащихся в них ошибок, через взаимодействие с белками, обеспечивающими нонсенс-опосредованный распад и нон-стоп-распад[англ.]. С другой стороны, разрушение составляет обязательный этап в жизненном цикле мРНК. Несколько белков, стабилизирующих или дестабилизирующих мРНК через связывание с AU-обогащёнными элементами, расположенными в 3′-нетранслируемой области мРНК, взаимодействуют с экзосомным комплексом[28][29][30]. В ядре экзосомы необходимы для нормального процессинга нескольких видов малых ядерных РНК[31]. Большинство экзосом находится в ядрышке. Здесь они участвуют в процессинге 5,8S рРНК (первая идентифицированная функция экзосом) и некоторых малых ядрышковых РНК[1][31][32].
Хотя большинство клеток имеют и другие ферменты, разрушающие РНК с их 3′- или 5′-конца, экзосомы необходимы для выживания клетки. Если экспрессия экзосомных белков искусственно уменьшается или прекращается, например, путём РНК-интерференции, клетка останавливается в росте и вскоре умирает. Для работы экзосомы необходимы 9 коровых белков и 2 главных ассоциированных с экзосомами белка[33]. У бактерий нет экзосом, однако схожие функции у них выполняет более простой комплекс, содержащий белок RNPазу, — деградосома[34].
Экзосома является главным комплексом, обеспечивающим контроль качества клеточной РНК. В отличие от прокариот, эукариоты имеют высокоактивные системы, контролирующие клеточные РНК и распознающие непроцессированные или неправильно процессированные РНК-белковые комплексы (например, рибосомы) до того, как они покинут ядро. Считается, что эти системы предотвращают участие бракованных комплексов в важных клеточных процессах, например, синтезе белка[35].
Обнаружено, что в эпидермисе экзосомы избирательно разрушают мРНК, кодирующие транскрипционные факторы, вызывающие дифференциацию (в частности фактор транскрипции GRHL3). Благодаря этому обеспечивается способность прогениторных клетокэпидермиса оставаться в недифференцированном состоянии, что необходимо для поддержания их способности к пролиферации[36].
Кроме участия в процессинге, кругообороте и контроле качества РНК, экзосомы играют важную роль в деградации так называемых криптических нестабильных транскриптов[англ.] (CUT), которые у дрожжей считываются с тысяч локусов[37][38]. Важность этих нестабильных РНК и их деградации остаются неизвестными, однако похожие РНК были выявлены и в человеческих клетках[39].
Клиническое значение
Аутоиммунные заболевания
Экзосомные комплексы оказываются мишенями антител у пациентов, страдающих от различных аутоиммунных заболеваний. Такие аутоантитела встречаются главным образом у людей, страдающих склеромиозитом[англ.] — аутоиммунным заболеванием, при котором пациенты имеют симптомысклеродермы и полимиозита или дерматомиозита[40]. Наличие аутоантител в плазме крови пациентов можно определить различными методами. В прошлом для этих целей наиболее часто применяли метод двойной иммунодиффузии[англ.] с использованием экстрактатимуса телят, иммунофлуоресценцию у клеток HEp-2 или иммунопреципитацию человеческих клеточных экстрактов. При иммунопреципитации плазмы крови с плазмой, содержащей антиэкзосомные антитела, происходила преципитация[англ.] определённого набора белков. Задолго до открытия экзосом такие преципитирующиеся комплексы были названы PM/Scl-комплексами[41]. Иммунофлуоресценция с использованием плазмы крови таких пациентов показывает характерное окрашивание ядра клетки, позволяя выдвинуть предположение, что антиген, распознаваемый аутоантителами, может играть важную роль в синтезе рибосом[42]. Недавно стали доступны рекомбинантные экзосомные белки, которые использовались для разработки линейного иммуноанализа и иммуноферментного анализа (ELISA) для определения наличия этих антител[7].
При таких аутоиммунных заболеваниях антитела направлены главным образом против двух белков экзосомного комплекса: PM/Scl-100 (белок, подобный РНКазе D) и PM/Scl-75 (один из белков кольца, подобных РНКазе РН). Антитела, распознающие эти белки, обнаруживаются у приблизительно 30 % пациентов, страдающих склеромиозитом[43]. Хотя эти два белка являются основными мишенями аутоантител, у этих пациентов могут поражаться другие экзосомные субъединицы и ассоциированные белки (например, C1D[англ.])[44][45]. В настоящее время наиболее чувствительным методом для обнаружения этих антител является использование пептида, образованного из белка PM/Scl-100, а не целого белка, в качестве антигена для ELISA. С помощью этого метода аутоантитела обнаруживаются у 55 % пациентов со склеромиозитом, однако они могут также быть обнаружены у пациентов, страдающих только от склеродермы, полимиозита или дерматомиозита[46].
Хотя аутоантитела встречаются у пациентов, имеющих признаки нескольких различных аутоиммунных заболеваний, клинические проявления этих заболеваний варьируют очень широко. Наиболее часто наблюдаемые симптомы являются, как правило, типичными симптомами аутоиммунных заболеваний; к числу таких симптомов относят болезнь Рейно, артрит, миозит и склеродерму[47]. Лечение симптоматическое и схоже с лечением других аутоиммунных заболеваний, часто с применением иммуносупрессивных и иммуномодулирующих препаратов[48].
Лечение рака
Показано, что работа экзосом подавляется антиметаболитом5-фторурацилом — препаратом противораковой химиотерапии. Он является одним из наиболее эффективных лекарств для лечения крупных опухолей. У дрожжей, обработанных 5-фторурацилом, наблюдались дефекты процессинга рРНК, схожие с теми, которые имели место при блокировании активности экзосом молекулярно-биологическими методами. Отсутствие правильного процессинга рРНК смертельно для клеток, чем и объясняется эффективность препарата[49].
Неврологические расстройства
Мутации экзосомного компонента 3 вызывают врождённую болезнь мотонейронов спинного мозга, атрофиюмозжечка, прогрессирующую микроцефалию и глубокую отсталость развития, что характерно для мостомозжечковой гипоплазии типа 1В[50].
A У архей несколько белков экзосомы присутствуют во множестве копий (чтобы сформировать полную архитектуру комплекса экзосомы).
B У человека в этой позиции комплекса могут находиться два разных белка: либо Dis3L1 (если экзосома находится в цитоплазме), либо Dis3 (если экзосома находится в ядре).
C Участвует в рибонуклеазной активности комплекса.