Альтернативный сплайсинг

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Альтернативный сплайсинг мРНК

Альтернативный сплайсинг — процесс, позволяющий одному гену производить несколько мРНК и, соответственно, белков. Большинство генов в эукариотических геномах содержат экзоны и интроны. После транскрипции в процессе сплайсинга интроны удаляются из пре-мРНК. А вот экзон может включаться (или нет) в состав конечного транскрипта. Таким образом, с помощью альтернативного сплайсинга можно получить множество транскриптов, а, следовательно, и белков. Объединение различных сайтов сплайсинга позволяет индивидуальным генам экспрессировать множество мРНК, которые кодируют белки, порой, с антагонистическими функциями. Экзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в альтернативном пути. Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка. Например, ген тропонина состоит из 18 экзонов и кодирует многочисленные изоформы этого мышечного белка. Разные изоформы тропонина образуются в разных тканях и на определенных стадиях их развития.

Предположено, что у эукариот альтернативный сплайсинг может быть важным эволюционным достижением: повысилась эффективность хранения информации.[1] Недавно было показано, что у примерно 95 % мультиэкзонных генов человека наблюдается альтернативный сплайсинг.[2] Геном круглого червя Caenorhabditis elegans по количеству генов практически не отличается от генома человека, однако альтернативному сплайсингу подвергаются пре-мРНК только 15 % генов. Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов.

Разные варианты альтернативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма и/или в разных тканях, а также у разных особей одного вида.[3]

Один из наиболее впечатляющих примеров альтернативного сплайсинга — ген dscam в Drosophila melanogaster, содержащий 116 экзонов, из которых 17 всегда попадают в конечную мРНК. Теоретически, данная система может продуцировать 38016 различных белков. В действительности, обнаружено более 18000 в Drosophila melanogaster. Белки Dscam отвечают за правильное местонахождение нейронов и также, вероятно, участвуют в распознавании и фагоцитозе чужеродных бактерий.[4]

Классификация[править | править вики-текст]

Alt splicing bestiary

Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга:

  1. Пропуск экзона или экзонной кассеты: в этом случае экзон может вырезаться из первичного транскрипта или сохраняться в нём. Это наиболее часто используемый механизм у млекопитающих.
  2. Взаимоисключающие экзоны: из двух экзонов в конечном транскрипте сохраняется только один.
  3. Использование альтернативного донорного сайта: есть несколько альтернативных 5'-участков сплайсинга (донорных сайтов), что изменяет 3'-границу вышележащего (upstream) экзона.
  4. Использование альтернативного акцепторного сайта: используются разные 3'-участки сплайсинга (акцепторные сайты), что меняет 5'-границы нижележащего (downstream) экзона.
  5. Удержание интрона: интрон сохраняется в последовательности транскрипта. Если интрон находится в кодирующей последовательности, то он может кодировать стоп-кодон или же сдвигать рамку считывания. А это может привести к потере функциональности белка, поэтому данный механизм альтернативного сплайсинга используется крайне редко у млекопитающих.

Помимо описанных основных механизмов альтернативного сплайсинга существует ещё 2 других механизма, благодаря которым разные мРНК могут получаться из одного гена: множественные промоторы и множественные сайты полиаденилирования. Транскрипция может начинаться с разных точек. В результате получаются транскрипты с разными экзонами на 5’-конце (множественные промоторы). Множественные сайты полиаденилирования обеспечивают разные 3’-концы для транскрипта. Оба механизма найдены в комбинации с альтернативным сплайсингом и добавляют разнообразия в типы мРНК, полученных от одного гена.[2][5]

Механизм[править | править вики-текст]

Механизм сплайсинга

Сплайсинг осуществляется сплайсосомой — массивной структурой, в состав которой входит 5 малых ядерных нуклеопроетидных частиц (snRNP) — U1, U2, U4, U5 и U6 (U3 не участвует в сплайсинге) — и большого количества вспомогательных белков. Вместе они способны точно распознать сайты сплайсинга и катализировать 2 шага реакции сплайсинга.

Сборка сплайсосомы начинается с распознавания U1 5’-сайта сплайсинга. После этого фактор сплайсинга 1 (SF1) связывается в точке разветвления (branch point, обычно это аденозин). Такой комплекс носит название E’. Затем большая субъединица (65 kDa) гетеродимерного вспомогательного фактора U2 (U2AF) образует комплекс с полипиримидиновым участком (polypyrimidine tract), а малая субъединица (35 kDa) U2AF связывается с 3’-терминальным AG на стыке интрона и экзона. Весь этот образовавшийся комплекс является АТФ-независимым и уже называется комплексом E. Позже, после замены SF1 на U2 в точке разветвления, комплекс Е становится АТФ-зависимым комплексом А.

Дальнейшее образование тройного U4/U6-U5 комплекса приводит к формированию комплекса В, который после экстенсивных конформационных изменений и перестроек превращается в каталитически активный комплекс С.[6] U6 занимает позицию U1, а U1 и U4 уходят. Оставшийся комплекс претерпевает 2 реакции переэтерификации. В ходе первой реакции, 5’-конец интрона отщепляется от экзона, что перед ним, и присоединяется к сайту разветвления А через 2’,5’-фосфодиэфирную связь. Во второй реакции переэтерификации, 3’-конец интрона отщепляется от экзона, что расположен далее по последовательности, и два экзона объединяются. Образовавшийся интрон высвобождается в форме лассо и позднее деградирует.[7]

Регуляция[править | править вики-текст]

Существуют различные способы регуляции альтернативного сплайсинга: РНК-белковые взаимодействия, РНК-РНК взаимодействия (при взаимоисключающих экзонах), взаимодействие пре-мРНК с некодирующими РНК, в том числе малыми ядрышковыми РНК и др. Несмотря на столь потенциальное разнообразие регуляторных механизмов, РНК-белковые взаимодействия считаются основными способами регуляции сплайсинга.[8]

Регуляторные элементы[править | править вики-текст]

Участки последовательности РНК и регуляторы белков определяют, какой экзон удалить, а какой оставить. Существует 4 категории регуляторов:

  • энхансеры сплайсинга экзонов (exonic splicing enhancers, ESEs)
  • сайленсеры сплайсинга экзонов (exonic splicing silencers, ESSs)
  • энхансеры сплайсинга интронов (intronic splicing enhancers, ISEs)
  • сайленсеры сплайсинга интронов (intronic splicing silencers, ISSs)

Регуляторы, помогающие распознать сайт сплайсинга[править | править вики-текст]

Белки SR (серин(S)/аргинин(R)-богатые белки) играют важную роль в распознавании сайта сплайсинга. Например, когда они взаимодействуют с энхансерами экзонов (ESE), они помогают связываться U1 с 5’-сайтом сплайсинга, а также U2AF и U2 с 3’-сайтом сплайсинга. Эти взаимодействия (SR c энхансерами) происходят благодаря их RS доменам (содержат Arg-Ser повторы). Белки SR могут работать вместе с другими положительными регуляторами.[6]

SR белок SRp38 (также известный как TASR, NSSR, FUSIP1 и SRrp40) в дефосфорилированном действует как репрессор сплайсинга.[9] Однако, недавние исследования показали, что в фосфорилированном состоянии он также функционирует в качестве активатора, зависящего от сплайсируемой последовательности.[10]

Ингибирование распознавания сайта сплайсинга[править | править вики-текст]

Ингибировать распознавание сайта сплайсинга можно разными способами. Первый, когда сайленсеры сплайсинга располагаются близко к сайту сплайсинга или к энхансерам сплайсинга, и, соответственно, может происходить стерическое ингибирование, при котором блокируется доступ к snRNP или положительным регуляторным факторам. Например, полипиримидин-связывающий белок (PTB; также известный как PTB1 и hnRNP I), связывается с полипиримидиновым участком и, тем самым, блокирует связывание U2AF с экзонами. Тканеспецифичные факторы сплайсинга FOX1 и FOX2, связываясь с интронной последовательностью, могут ингибировать формирование комплекса E', предотвращая связывание SF1 с точкой разветвления.[6]

Ингибиторы сплайсинга могут стерически мешать связыванию активаторов с энхансерами. Семейство белков Hu/ELAV ингибирует связывание U1, конкурируя с белком TIA1, который взаимодействует с AU-богатой областью, расположенной далее по последовательности в 5’-сайте сплайсинга экзона 23а нейрофиброматозного типа 1.[11] FOX1 и FOX2 также ингибируют формирование комплекса Е, связываясь с экзонной последовательностью, близко расположенной от ESE, где связываются TRA2 и SRp55. Из-за этого U2AF не может закрепиться.[12]

Регуляция сплайсинга в зависимости от позиции экзона[править | править вики-текст]

Действие цис-регуляторных элементов иногда зависит от позиции регулируемого экзона. Несколько белков, например такие как NOVA1, NOVA2, FOX1, FOX2, hnRNP l, hnRNP l-подобный, hnRNP F и hnRNP H, могут действовать либо как репрессоры, либо как активаторы в зависимости от места сайта связывания.[13][14][15]

Позиция сплайсинга может определять действие факторов сплайсинга. Энхансеры могут располагаться таким образом, что, когда факторы сплайсинга связываются с ними, другой экзон лучше расположен для действия сплайсосомы. Или наоборот, элементы сайленсинга соревнуются с компонентами сплайсосомы или как-то изменяют структуру мРНК, препятствуя узнаванию сайта сплайсинга.[6]

Методы обнаружения альтернативного сплайсинга[править | править вики-текст]

Основным методом определения мест альтернативного сплайсинга в данный момент является секвенирование библиотек кДНК, полученных на матрице мРНК. Данный метод называется секвенированием РНК. Также возможно применение ДНК-микрочипов.

Альтернативный сплайсинг и заболевания[править | править вики-текст]

Изменения в альтернативном сплайсинге могут вызывать разные заболевания: нейродегенеративные, сердечно-сосудистые, дыхательные заболевания, а также рак и болезнь Альцгеймера. В тканях, где происходит множество процессов (например головной мозг), требуется большое количество белков для выполнения различных функций. Любой дефект в альтернативном сплайсинге может резко изменить состав белков в клетке, вследствие чего и возникнут многие неврологические заболевания. Эти дефекты могут быть разделены на две основные группы: первичные и вторичные дефекты сплайсинга.

Первичные дефекты сплайсинга[править | править вики-текст]

При первичных дефектах сплайсинга происходит мутация в последовательности, которая важна для правильного прохождения альтернативного сплайсинга. Следовательно, сплайсинг не происходит должным образом. Многие мутации, приводящие к заболеваниям, вызваны нарушениями сплайсинга пре-мРНК. Примерами являются синдром Луи-Бара и нейрофиброматоз. Половина пациентов, страдающих этими заболеваниями, несет мутации, которые влияют на прохождение сплайсинга пре-мРНК. Другой пример первичных нарушений сплайсинга был обнаружен у пациентов с лобно-височной деменцией (аутосомно-доминантное расстройство, связано с 17 хромосомой). Дефекты в сплайсинге приводят к изменению транскриптов тау-белков, ассоциированных с микротрубочками, - MAPT. Эти белки накапливаются в аксонах или растущих нейронах. Изменения в сплайсинге MAPT могут также привести к другим заболеваниям, таким как болезнь Альцгеймера, мышечная дистрофия, дисфункция глии и дегенерация спинного мозга. Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) — это результат мутаций в гене дистрофина. Мутации вызывают нарушения в сплайсинге и продукцию неправильных мРНК. Разные мутации в пре-мРНК дистрофина вызывают промежуточный вариант МДД, мышечную дистрофию Беккера (МДБ).

Вторичные дефекты сплайсинга[править | править вики-текст]

Под вторичными дефектами сплайсинга подразумеваются мутации в регуляторных факторах, которые очень важны для процесса сплайсинга. Действие различных активаторов и/или репрессоров может определять пути прохождения альтернативного сплайсинга. В зависимости от того, какой регулятор действует, пре-мРНК меняется. В некоторых случаях, это может привести к серьёзным нарушениям. Примером таких нарушений является Синдром Прадера-Вилли, генетическая болезнь, характеризующаяся интеллектуальными и поведенческими отклонениями.

Фермент ацетилхолинэстераза (AChE) собирается из серии белков. В ходе альтернативного сплайсинга может получаться три изоформы белка, которые вызывают такие нейродегенеративные заболевания, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Разбалансировка регуляторов сплайсинга может приводить к избытку AChE-R, изоформе AChE, найденной у пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера.[1]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]