Russian Journal of BiotherapyRussian Journal of BiotherapyРоссийский биотерапевтический журнал1726-97841726-9792Publishing House ABV Press129510.17650/1726-9784-2022-21-1-21-32REVIEWSОБЗОРЫ ЛИТЕРАТУРЫNatural hypothetic oligonucleotide modifiers, activity regulators and theoretical minimal RNA rings ordering processes of expression and modification of genes / genomeПриродные гипотетические олигонуклеотидные модификаторы, регуляторы активности и теоретические минимальные РНК-кольца, упорядочивающие процессы экспрессии и модификации генов/геномаhttps://orcid.org/0000-0002-2514-3564DeichmanA. M.ДейчманА. М.
Russian Federation

Alexander M. Deichman

24 Kashirskoe Shosse, Moscow 115478, Russia

Александр Маркусович Дейчман

Россия, 115478 Москва, Каширское шоссе, 24

amdeich@mail.ruN. N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of RussiaФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н. Н. Блохина» Минздрава России1404202221121321304202213042022https://bioterapevt.abvpress.ru/jour/article/view/1295

A special hypothetical mechanism of variable Individual Epitope Reverse Translation (at least 2 types) of eukaryotic cell is probably capable of reproducing primary linear (sens- / antisense-, CRISPR-, repeat-like, etc.) and secondary conformational (similar to quadruplexs, RNA-hairpins, RNA-ring-structures; etc.) oligonucleotide structures formed in the mitochondrial membrane-bound supramolecular and containing nanomolecular inclusions hypothetical particle of the retranslosome. This is the so-called nucleic acid equivalents of protein epitope, oligo-NEs, monomeric in ~15–30 and oligomeric in ~(15–30)n nucleotides, potentially capable of participating in the regulation of expression (activation, termination, switching) and modification of genes / genome, as well as in the creation protein / enzyme-containing nucleoprotein platform- / module- / complex-like formations in normal, pathologically altered (in particular, tumor) and virus-infected cells. Recently, in the GenBank databases, they are shown realistically and built / calculated bioinformatically in silico so-called minimum theoretical of 22 nucleotides and longer RNAring (stem-loop) structures, the composition of which depends, firstly, on constantly occurring chemical and enzymatic processes (including deamination mutations), and the properties of which, secondly, link, respectively, with the early (era of the so-called circular code) and later (era of modern universal coding, including the circular code as a component) evolutionary periods of the formation of the whole genetic code. It is generally accepted that the emergence and formation, respectively, of early evolutionary (proto-tRNA, proto-rRNA) and modern variants of molecules of the translational machine of mitochondria and cytoplasm is associated with stem-loop RNA-ring structures, similar to independently proposed oligo-NEs, such as tRNA, rRNA and gene products of ribosomal and other proteins.

Специальный гипотетический механизм вариабельной поэпитопной обратной трансляции (по крайней мере 2 типов) отдельного эпитопа эукариотической клетки, вероятно, способен воспроизводить первичные линейные (типа сенс-/антисенс-, CRISPR-, повторподобные и др.) и вторичные конформационные (подобные квадруплексным, РНК-шпилечным, РНК-кольцевым структурам и др.) олигонуклеотидные структуры. Эти структуры формируются в митохондриальной мембраносвязанной супрамолекулярной и содержащей наномолекулярные включения гипотетической частице ретранслосоме. Это так называемые нуклеиновые эквиваленты (НЭ) белкового эпитопа, олиго-НЭ, мономерные в ~15–30 и олигомерные в ~(15–30)n нуклеотидов, потенциально способные участвовать в регуляции экспрессии (активации, терминации, переключении) и модификации генов/генома, а также в создании белок/ферментсодержащих нуклеопротеидных платформа-/модуль-/комплексподобных образований в нормальных и некоторых патологически измененных (в частности, опухолевых) и вирусинфицированных клетках. Недавно в базах GenBank показаны реально и выстроены/рассчитаны биоинформатически in silico минимальные теоретические в ~22 нуклеотида и более длинные РНК-кольцевые (стебель-петлевые) структуры. Их состав зависит от постоянно протекающих химических и ферментативных процессов (в том числе мутаций дезаминирования), а свойства связывают, соответственно, с ранним (эпохи циркулярного кода) и более поздним (эпохи современного универсального кодирования, включающего циркулярный код в качестве составной части) эволюционными периодами становления генетического кода. Принято считать, что с РНК-кольцевыми стебель-петлевыми структурами, схожими с ранее и независимо предложенными олиго-НЭ, связано появление и становление, соответственно, раннеэволюционных (прото-тРНК, прото-рРНК) и современных вариантов молекул-компонентов трансляционной машины митохондрий и цитоплазмы, таких как тРНК, рРНК и мРНК рибосомоассоциированных генов белков.

oligonucleotide equivalent of epitope (oligo-NE)mechanism variable Individual Epitope Reverse Translationstem-loop RNA-hairpins / RNA-ringsantivirus responseplatform- / module-/complex-like nucleoprotein structuresолигонуклеотидный эквивалент эпитопа (олиго-НЭ)механизм вариабельной поэпитопной обратной трансляциистебель-петлевые РНК-шпильки/РНК-кольцаантивирусный ответплатформа-/модуль-/комплексподобные нуклеопротеидные структурыLi W., Notani D., Rosenfeld M.G. Enhancers as non-coding RNA transcription units: recent insights and future perspectives. Nat Rev Genet 2016;17(4):207–23. DOI: 10.1038/nrg.2016.4.Panda AC. Circular RNAs act as miRNA sponges. Adv Exp Med Biol 2018;1087:67–79. DOI: 10.1007/978-981-13-1426-1_6.Dolinnaya N.G., Ogloblina A.M., Yakubovskaya M.G. Structure, properties and biological significance of DNA and RNA G-quadruplexes. A look 50 years after their discovery. Uspekhy biologicheskoy khimii = Advances in biological chemistry 2016;56:53–154. (In Russ.).Долинная Н.Г., Оглоблина А.М., Якубовская М.Г. Структура, свойства и биологическое значение G-квадруплексов ДНК и РНК. Взгляд через 50 лет после их открытия. Успехи биологической химии 2016;56:53–154. [Brown J.A. Unraveling the structure and biological functions of RNA triple helices. Wiley Interdiscip Rev RNA 2020;11(6):e1598. DOI: 10.1002/wrna.1598.Demongeot J., Seligmann H. Theoretical minimal RNA rings recapitulate the order of the genetic codeʼs codon-amino acid assignments. J Theor Biol 2019;471:108–16. DOI: 10.1016/j.jtbi.2019.03.024.Demongeot J., Seligmann H. Theoretical minimal RNA rings designed according to coding constraints mimic deamination gradients. Naturwissenschaften 2019;106(7–8):44. DOI: 10.1007/s00114-019-1638-5.Deichman A.M., Tsoi V.Ch., Baryshnikov A.Yu. RNA editing. Hypothetical mechanisms (monograph). M., Practical Medicine, 2005. 265 p. (In Russ.).Дейчман А.М., Цой В.Ч., Барышников А.Ю. Редактирование РНК. Гипотетические механизмы (монография). М.: Практическая Медицина, 2005. 265 c.Deichman A.M. Revisited to RNA/ Protein symmetry. Issledovano v Rossii = Investigated in Russia 2007:1629–79. (In Russ.).Дейчман А.М. Возвращаясь к вопросу о РНК/Белковой симметрии. Исследовано в России 2007:1629–79.Deichman A.M. One of the variants of point mutations is possibly triggered by a stepwise reverse translation. Hypothetical concept. Moscow: manuscript deposit. VINITI, 1993. No. 1502-B93. 56 p. (In Russ.).Дейчман А.М. Один из вариантов точечных мутаций возможно запускается поэпитопной обратной трансляцией. Гипотетическая концепция. М.: Рукоп. депон. ВИНИТИ, 1993. № 1502-В93. 56 с.Deichman A.M. Possible control of primer-mediated replication in mitochondria and chromosomal DNA. Maintenance of non-chaotic regulation of mitochondrial genome expression. Envayronmantalnaya epidemiologiya = Environmental Epidemiology 2011;6:996–1069. (In Russ.).Дейчман А.М. Возможное управление праймер-опосредованной репликацией в митохондриях и хромосомальной ДНК. Поддержание не хаотической регуляции экспрессии генома митохондрий. Энвайронментальная эпидемиология 2011;6:996–1069. [Deichman A.M. Possible new mechanisms for the formation of short nucleotide sequences involved in the regulation of genome expression. Rossiyskiy Bioterapevticheskiy Zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2011;10(4):17–27. (In Russ.).Дейчман А.М. О возможных новых механизмах образования коротких нуклеотидных последовательностей, участвующих в регуляции экспрессии генома. Российский биотерапевтический журнал 2011;10(4):17–27.Deichman A.M., Zinoviev S.V., Baryshnikov A.Yu. Gene expression and small RNAs in oncology. Rossiyskiy Bioterapevticheskiy Zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2009;8(3):107–18 (In Russ.).Дейчман А.М., Зиновьев С.В., Барышников А.Ю. Экспрессия генов и малые РНК в онкологии. Российский биотерапевтический журнал 2009;8(3):107–18.Deichman A.M. Hypothetical mechanisms of the formation of hypervariable and conserved oligonucleotide regions of the genome. Possible prospects. Rossiyskiy Bioterapevticheskiy Zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2007;6(3):51–60. (In Russ.).Дейчман А.М. Гипотетические механизмы формирования гипервариабельных и консервативных олигонуклеотидных участков генома. Возможные перспективы. Российский биотерапевтический журнал 2007;6(3):51–60.Filippovich I.I., Nozdrina V.N., Svetelukin V.V., Oparin A.P. Study of localization of translation and transcription systems in the fine structure of chloroplasts in connection with granulation. In: Molecular genetics of mitochondria. Ed. by S.A. Neifakh, A.S. Troshin. Leningrad: Science, 1977. Pp. 11–20. (In Russ.).Филиппович И.И., Ноздрина В.Н., Светелукин В.В., Опарин А.П. Изучение локализации систем трансляции и транскрипции в тонкой структуре хлоропластов в связи с гранообразованием. В кн.: Молекулярная генетика митохондрий. Под ред. С.А. Нейфаха, А.С. Трошина. Л.: Наука, 1977. С. 11–20.Zaenger W. Principles of nucleic acids structure. Transl. from Engl. by L.V. Malinina, V.V. Mahaldiani. Ed. by B.K. Weinstein. Moscow: Mir, 1987. 584 p. (In Russ.).Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. Пер. с англ. Л.В. Малининой, В.В. Махалдиани. Под ред. Б.К. Вайнштейна. М.: Мир, 1987. 584 c.Deichman A.M., Baryshnikova M.A., Kosorukov V.S. The need to identify CRISPR-like and other natural oligonucleotide structures formed by the cell for research and the creation of improved models for the control of molecular genetic, biochemical (oth.) processes, in particular, in congenital and acquired genetic pathologies. In: Collection of scientific articles following the results of the Interuniversity Scientific Congress “Higher school: scientific research”. M., 2020. Pp. 87–92. (In Russ.).Дейчман А.М., Барышникова М.А., Косоруков В.С. Необходимость выявления CRISPR-подобных и других формируемых клеткой природных олигонуклеотидных структур для исследований и создания более совершенных моделей управления молекулярно- генетическими, биохимическими (др.) процессами, в частности, при врожденных и приобретенных генетических патологиях. В кн: Сборник научных статей по итогам Межвузовского научного конгресса «Высшая школа: научные исследования ». М., 2020. С. 87–92.Yang M.Y., Bowmaker M., Reyes A. et al. Biased Incorporation of Ribonucleotides on the Mitochondrial L-Strand Accounts for Apparent Strand- Asymmetric DNA Replication. Cell 2002;111(4):495–505. DOI: 10.1016/s0092-8674(02)01075-9.Wolf Y.I., Koonin E.V. Origin of an animal mitochondrial DNA polymerase subunit via lineage-specific acquisition of a glycyl-tRNA synthetase from bacteria of the Thermus-Deinococcus group. Trends Genet 2001;17(8):431–3. DOI: 10.1016/s0168-9525(01)02370-8.Deichman A.M. Genetic code: from streams of elementary particles (photons, etc.) – to the formation of genomes and genetic code. In the context of the hypothetical mechanism of oligonucleotide biosynthesis outside the genome (monograph). Moscow: Mir nauki, 2017. 417 p. (In Russ.).Дейчман А.М. Генетический код: от потоков элементарных частиц (фотонов, др.) – до формирования геномов и генетического кода. В контексте гипотетического механизма биосинтеза олигонуклеотидов вне генома (монография). М.: Мир науки, 2017. 417 с.Deichman A.M. Intermolecular interactions in selforganizing biosystems. In: Proceedings of the International Scientific Internet conference “At the junction of sciences. Physico-chemical series” Kazan (Volga) Federal University (together with PaxGrid), 2013. Pp. 80–84. (In Russ.).Дейчман А.М. Межмолекулярные взаимодействия в самоорганизующихся биосистемах. В кн.: Сборник тезисов международной научной интернет-конференции «На стыке наук. Физико-химическая серия» Казанского (Приволжского) федерального университета (совместно с PaxGrid), 2013. С. 80–84.Seligmann H. Mitochondrial swinger replication: DNA replication systematically exchanging nucleotides and short 16S ribosomal DNA swinger inserts. Biosystems 2014;125:22–31. DOI: 10.1016/j.biosystems.2014.09.012.Trifonov E.N. The triplet code from first principles. J Biomol Struct Dyn 2004;22(1):1–11. DOI: 10.1080/07391102.2004.10506975.Maizels N., Weiner A.M. Phylogeny from function: evidence from the molecular fossil record that tRNA originated in replication, not translation. Proc Natl Acad Sci U S A 1994;91(15):6729–34. DOI: 10.1073/pnas.91.15.6729.Altshtein A.D., Efimov A.V. Physicochemical basis of the genetic code origin: stereochemical analysis of interactions of amino acids and nucleotides based on the progene hypothesis. Moleculyarnaya Biologiya = Molecular Biology 1988;22(5):1411–29. (In Russ.).Альтштейн А.Д., Ефимов А.В. Физико-химические основы происхождения генетического кода: стереохимический анализ взаимодействий аминокислот и нуклеотидов, основанных на гипотезе прогенов. Молекулярная биология 1988;22(5):1411–29.Nelsestuen G.L. Amino acid-directed nucleic acid synthesis. A possible mechanism in the origin of life. J Mol Evol 1978;11(2):109–20. DOI: 10.1007/BF01733887.Seligmann H. Pocketknife tRNA hypothesis: anticodons in mammal mitochondrial tRNA side-arm loops translate proteins? Biosystems 2013;113(3):165–76. DOI: 10.1016/j.biosystems.2013.07.004.Michel C.J., Seligmann H. Bijective transformation circular codes and nucleotide exchanging RNA transcription. Biosystems 2014;118:39–50. DOI: 10.1016/j.biosystems.2014.02.002.Shabalkin I.P., Shabalkin P.I., Iagubov A.S. Evolution of the genetic alphabet and amino acid code. Zhurnal evolutsionnoy biokhimii i fiziologii = Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology 2003;39(5):488–94. (In Russ.).Шабалкин И.П., Шабалкин П.И., Ягубов А.С. Эволюция генетического алфавита и аминокислотного кода. Журнал эволюционной биохимии и физиологии 2003;39(5):488–94.Khrustalev V.V. Biochemical mechanisms of mutational pressure in the methodology of computational biology: monograph. Ed. by E.V. Barkovsky. Minsk: BSMU, 2010. 212 p. (In Russ.).Хрусталев В.В. Биохимические механизмы мутационного давления в методологии вычислительной биологии: монография. Под ред. Е.В. Барковского. Минск: БГМУ, 2010. 212 с.Khrustalev V.V. Replication, transcription, mutational pressure: monograph. Ed. by E.V. Barkovsky Minsk: BSMU, 2011. 278 p. (In Russ.).Хрусталев В.В. Репликация, транскрипция, мутационное давление: монография. Под ред. Е.В. Барковского. Минск: БГМУ, 2011. 278 с.Pellejero L.B., Mahdifar M., Ercolani G. et al. Using antibodies to control DNA-templated chemical reactions. Nat Commun 2020;11(1):6242. DOI: 10.1038/s41467-020-20024-3.Root-Bernstein M., Root-Bernstein R. The ribosome as a missing link in the evolution of life. J Theor Biol 2015;367:130–58. DOI: 10.1016/j.jtbi.2014.11.025.Olavarria J.V., Burzio V.A., Borgna V. et al. Long Noncoding Mitochondrial RNAs (LncmtRNAs) as Targets for Cancer Therapy. In book: Mitochondrial DNA – New Insights. Ed. by H. Seligmann. IntexOpen, 2018. Pp. 179–194. DOI: 10.5772/intechopen.75453.Houmami N.E., Seligmann H. Evolution of Nucleotide Punctuation Marks: From Structural to Linear Signals. Front Genet 2017;8:36. DOI: 10.3389/fgene.2017.00036.Seligmann H., Labra A. The relation between hairpin formation by mitochondrial WANCY tRNAs and the occurrence of the light strand replication origin in Lepidosauria. Gene 2014;542(2):248–57. DOI: 10.1016/j.gene.2014.02.021.Seligmann H. Mitochondrial tRNAs as light strand replication origins: Similarity between anticodon loops and the loop of the light strand replication origin predicts initiation of DNA replication. Biosystems 2010;99(2):85–93. DOI: 10.1016/j.biosystems.2009.09.003.Qi N., Shi Y., Zhang R. et al. Multiple truncated isoforms of MAVS prevent its spontaneous aggregation in antiviral innate immune signaling. Nat Commun 2017;8:15676. DOI: 10.1038/ncomms15676.Deichman A.M. Possible membraneassociated subtle effects of microdoses of biomacromolecules, their fragments and weak interactions on some specific immunological, biochemical and pathological processes. In: Abstracts of the XIII International Crimean Conference “Space and biosphere”. Simferopol: IT “ARIAL”, 2019. Pp. 53–56 (In Russ.).Дейчман А.М. Возможные мембран-связанные тонкие эффекты микродоз биомакромолекул, их фрагментов и слабых взаимодействий на некоторые специфические иммунологические, биохимические и патологические процессы. В кн.: Тезисы XIII международной крымской конференции «Космос и биосфера». Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2019. С. 53–56.