Что такое сплайсинг в биологии определение
СПЛАЙСИНГ
(от англ. splice-соединять, сращивать), удаление из молекулы РНК нитронов (участков РНК, к-рые практически не несут генетич. информации) и соединение оставшихся участков, несущих генетич. информацию (экзо-нов), в одну молекулу.
С.-один из этапов образования функциональноактивных молекул РНК (процессинг РНК) из их предшественников, к-рый осуществляется после завершения транскрипции (синтез РНК на ДНК-матрице). В результате удаления каждого интрона происходит разрыв двух фосфодиэфирных связей с последующим образованием одной новой (см. Нуклеиновые кислоты).
С. подвергаются предшественники подавляющего большинства матричных РНК (пре-мРНК), а также нек-рых транспортных и рибосомных РНК (соотв. пре-т РНК и пре-рРНК). С. характерен для РНК эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей); известны также случаи С. РНК бактериофагов.
Механизмы С. у разл. классов РНК различаются между собой. Для всех них характерна точность удаления интронов и соединения экзонов. Специфичность удаления единств. интрона, если он имеется в пре-тРНК, обеспечивается ее трехмерной структурой. Эндонуклеаза, ассоциированная с ядерной мембраной, с участием др. ферментов расщепляет предшественник на участках (сайтах) по краям интрона с образованием на концах экзонов 2′,3′-циклофосфатного и 5′-гидроксильного концов (рис. 1). Соединение этих концов осуществляется в неск. стадий: у растений и дрожжей фосфорилирование 5′-конца в месте разрыва молекулы, превращение 2′,3′-циклофосфата в 2′-фосфат и образование 3′,5 ‘-фосфодиэфирной связи с участием остатка фосфорной к-ты из АТФ (левая часть рис.); у позвоночных механизм С. пре-тРНК не включает фосфорилирование экзонов в месте разрыва (правая часть рис.; на схеме указаны ферменты, катализирующие осн. этапы С.).
Рис. 1. Механизм сплайсинга пре-тРНК; W, X, Y, Z-пуриновые или пири-мидиновые основания; АДФ, АМФ, РР и P-соотв. аденозиндифосфат, аде-нозинмонофосфат, пирофосфорная к-та и остаток фосфорной к-ты.
Самосплайсинг происходит у пре-рРНК простейших (напр., у тетрахимоны) и ряда пре-мРНК митохондрий низших грибов и нек-рых др. пре-РНК, у к-рых интроны содержат консервативные последовательности, что обусловливает образование определенных вторичной и третичной структур.
Установлено участие при удалении ряда интронов мито-хондриальных пре-мРНК у низших грибов особых белков-матюраз, к-рые кодируются частично нитронами, частично экзонами. Роль матюраз, как и нек-рых др. белков, сводится, по-видимому, к фиксации конформации интрона, необходимой для осуществления им каталитич. ф-ции.
С. пре-мРНК, находящихся в ядре, происходит в составе специфич. нуклеопротеидных частицах (сплайсомах). Обычно С. подвергается кэпированная полиаденилированная линейная пре-мРНК. К.-л. строгого порядка для удаления множественных интронов из пре-мРНК не наблюдается, хстя удаление одних интронов может происходить быстрее, чем других. С. происходит исключительно в ядре; несплай-сированная РНК остается в ядре и деградирует. Однако если пре-РНК содержит интрон, к-рый может участвовать в альтернативном пути С. (см. ниже), то она м. б. транспортирована в цитоплазму. С. ядерных пре-мРНК происходит обычно по границам интронов, к-рые содержат на концах динуклеотиды 5′-GU и AG-3′ (A, G и U-соотв. остатки аденозина, гуанозина и уридина; правило Шамбо-на). Известно только неск. исключений, когда вместо GU расположен динуклеотид GC (С-остаток цитидина). Рядом с этими динуклеотидами расположены т. наз. консенсусные
Cell Biology.ru
Справочник
Сплайсинг
| продукт гена | организм | длина экзонов, пн | ||
| число | общая длина, пн | |||
| аденозиндезаминаза | человек | 1500 | 11 | 30000 |
| аполипротеин B | человек | 14000 | 28 | 29000 |
| β-глобин | мышь | 432 | 2 | 762 |
| цитохром b | митохондрии дрожжей | 2200 | 6 | 5100 |
| дигидрофолатредуктаза | мышь | 568 | 5 | 31500 |
| эритропоэтин | человек | 582 | 4 | 1562 |
| фактор V[1] | человек | 9000 | 25 | 177000 |
| фиброин шелка | шелкопряд | 18000 | 1 | 970 |
| гипоксантин-фосфорибозилтрансфераза | мышь | 1307 | 8 | 32000 |
| α-интерферон | человек | 600 | 0 | 0 |
Сплайсосомы
рис.2 Консервативные последовательности в экзонах и интронах необходимые для сплайсинга.
рис.3 Сплайсосома и взаимодействие ее компонентов с экзонами и интронами РНК.
рис.4 Механизм удаления интронов.
Сплайсинг может иметь позитивную и негативную регуляцию. При позитивной регуляции из первичного транскрипта вырезается интрон при действии белка активатора. При негативной первичный транскрипт не подвергается сплайсингу при действии
белка репрессора.
Транс-сплайсинг
Альтернативный сплайсинг
mРНК кальцитонинового гена у млекопитающих (крыса)
Сплайсинг осуществляется белковыми комплексами – сплайсосомами-ферменты, вырезающие и сшивающие участки про-mРНК, белки, придающие про-mРНК нужную конформацию, sPНК. Сплайсосома связана с ферментами полиаденилирования.
рис. Схема образования различных мРНК из
одного тропомиозинового гена в различных клетках.
Автосплайсинг
Small nuclear RNAs (snRNAs), ranging in size from about 80 to 350 nucleotides, are ubiquitous components of eukaryotic cells. The U (uridine-rich) family of snRNAs are thought to be important for RNA splicing and have been highly conserved in evolution. They are associated with specific polypeptides, forming small nuclear ribonucleoprotein complexes (snRNPs). These are often targets of the autoimmune disorder systemic lupus erythematosus. The polypeptide associated with U1 snRNA appears to be unique (Wooley et al., 1983). Multigene families for human U1, U2, U3, U4 and U6 snRNAs have been demonstrated. Transcription of U1-U5 RNAs is accomplished by RNA polymerase II, whereas U6 snRNA is thought to be transcribed by RNA polymerase III. Kunkel and Pederson (1988) studied the upstream regulatory elements for the human U6 RNA gene and found a marked similarity to the proximal control elements of U1 and U2 snRNA genes, despite the transcription by different polymerases. Most of the human genes complementary to these snRNAs are pseudogenes, which are dispersed in the genome. Although most of the U1 genes are on chromosome 1, they probably are separated by intergenic spacer regions larger than 15 kb, because none of the recombinant phages isolated to date contains more than one U1 gene. By way of contrast, U2 snRNA genes are organized as a nearly perfect tandem array of 10 to 20 copies per haploid genome (Van Arsdell and Weiner, 1984). Bostock et al. (1984) concluded that the genes for human U1 snRNA are clustered on the short arm of chromosome 1. By somatic cell hybrid studies, Naylor et al. (1984) found that RNU1 segregated with PEPC (170000) and AK2 (103020), chromosome 1 markers. By in situ hybridization, they showed that most of the grains were concentrated in band 1p36.3. By in situ hybridization, Lindgren et al. (1985) found that the U1 snRNA pseudogenes (called class I) are coded in a cluster in 1q12-q22, separate from the true genes (in about 30 copies) in 1p36. Bernstein et al. (1985) presented evidence in support of the idea that the true U1 genes were derived by gene amplification and transposition from a more ancient family of U1 genes (represented now by class I U1 pseudogenes). The clustering of both U1 true genes and pseudogenes and the conservation of at least 44 kb of DNA flanking the U1 coding region in a large fraction of the 30 true U1 genes
are explained by gene amplification.
Pseudogenes for U1 snRNA outnumber the true genes by 15- to 30-fold. Some of the pseudogenes have no flanking homology to the true genes, but others, the class I pseudogenes, share several kilobases of flanking homology. Lindgren et al. (1985) noted that the site of the U1 pseudogenes corresponds to a site of chromosomal modification by adenovirus-12. They postulated that class I U2 pseudogenes may be affected by the virus because they retain flanking regulatory sequences.
Сплайсинг РНК
В природе существует несколько методов сплайсинга РНК; тип сплайсинга зависит от структуры сплайсированного интрона и катализаторов, необходимых для того, чтобы сплайсинг происходил.
Сплайсосомальный комплекс
Интроны
Становление и деятельность
Рекурсивная сварка
Трансплайсинг
Самосращивание
Две переэтерификации характеризуют механизм сплайсинга интронов группы I:
Механизм сплайсинга интронов группы II (две реакции переэтерификации, подобные интронам группы I) следующий:
сплайсинг тРНК
Поскольку сплайсосомные интроны консервативны не у всех видов, существуют дебаты относительно того, когда развился сплайсосомный сплайсинг. Были предложены две модели: интронная поздняя и интронная ранняя модели (см. Эволюция интрона ).
| Эукариоты | Прокариоты | |
|---|---|---|
| Сплайсосомальный | + | — |
| Самосращивание | + | + |
| тРНК | + | + |
Сплайсосомный сплайсинг и самосплайсинг включают двухэтапный биохимический процесс. Оба этапа включают реакции переэтерификации, которые происходят между нуклеотидами РНК. Однако сплайсинг тРНК является исключением и не происходит при переэтерификации. [24]
Хотя многие ошибки сплайсинга защищены механизмом контроля качества клеток, называемым нонсенс-опосредованным распадом мРНК (NMD) [38], также существует ряд заболеваний, связанных со сплайсингом, как указано выше. [39]
Аллельные различия в сплайсинге мРНК, вероятно, будут общим и важным источником фенотипического разнообразия на молекулярном уровне в дополнение к их вкладу в генетическую восприимчивость к болезням. Действительно, полногеномные исследования на людях выявили ряд генов, которые подвержены аллель-специфическому сплайсингу.
У растений изменение устойчивости к стрессу наводнения коррелирует с индуцированным стрессом альтернативным сплайсингом транскриптов, связанным с глюконеогенезом и другими процессами. [40]
А Сплайсинг и альтернативный сплайсинг в клетках, их значение для синтеза белков
Историческое введение:
Работа Шарпа и Робертса, опубликованная в 1977 году, показала, что гены высших организмов имеют «прерывистую» структуру: кодирующие отрезки гена перемежаются с некодирующей ДНК, которая не используется при экспрессии генов. «Прерывистая» структура гена была обнаружена, когда аденовирусная мРНК была гибридизована с фрагментами одиночной цепи ДНК. В результате выяснилось, что мРНК-участки этих гибридных двухцепочечных молекул мРНК-ДНК содержат 5′- и 3′-концы участков, не обладающие водородными связями. Более длинные отрезки ДНК при гибридизации закольцовывались и образовывали ответвления. Стало ясно, что эти закольцованные участки, содержащие «ненужные» последовательности, извлекаются из пре-мРНК в результате процесса, который и был назван «сплайсингом». Впоследствии было также выяснено, что прерывистая структура крайне широко распространена у эукариотических генов.
94% человеческих генов подвергаются альтернативному сплайсингу, причем в разных тканях производятся разные наборы белков. Благодаря этому разнообразие белков в организме млекопитающих значительно выше, чем у низших животных, хотя количество генов у тех и других примерно одинаково.
В остальных 6% генов Ч. просто нет интронов! Интроны – не просто разделители экзонов, а регуляторные участки, в которых зашифрованы инструкции по считыванию экзонов!
Если сплайсинг – еще одна возможность регуляции синтеза белков, то перетасовка экзонов при альтернативном сплайсинге (чаще добавление новых участков к старым) для выработки новых белковых продуктов – важнейшее приобретение в ходе эволюции эукариот
Механизмы сплайсинга у различных классов РНК различаются между собой. Для всех них характерна точность удаления интронов и соединения экзонов[3].
Сплайсинг Википедия (от англ. splice — сращивать или склеивать концы чего-либо) — процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной, или информационной, РНК (мРНК) у эукариот, при этом путём биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки — экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки. Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не имеют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представителей эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК) и других некодирующих РНК.
Альтернативный сплайсинг Википедия — 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.
Сущность альтернативного сплайсинга заключается в том, что в результате посттранскрипционного процессинга предшественника мРНК, из которого в результате сплайсинга вырезаются некодирующие последовательности нуклеотидов, соответствующие интронам транскрибированного гена, образуются зрелые мРНК, различающиеся по своей первичной структуре. В результате в разных клетках из одного и того же предшественника получаются молекулы зрелых мРНК, которые объединяют в различных комбинациях последовательности экзонов транскрибированного гена.
Сплайсинг РНК, в молекулярная биология, представляет собой форму процессинга РНК, при которой вновь созданный предшественник матричной РНК (предварительномРНК) стенограмма превращается в зрелая информационная РНК (мРНК). Во время сварки интроны (некодирующие области) удаляются и экзоны (кодирующие области) соединяются вместе. За ядерно-кодируемые гены, сращивание происходит внутри ядро либо во время, либо сразу после транскрипция. Для тех эукариотические гены которые содержат интроны, сплайсинг обычно требуется для создания молекулы мРНК, которая может быть переводится в белок. Для многих эукариотических интронов сплайсинг осуществляется в виде серии реакций, которые катализируются сплайсосома, комплекс малых ядерных рибонуклеопротеидов (snRNPs). Самосплайсинговые интроны, или же рибозимы способны катализировать собственное вырезание из родительской молекулы РНК.
Содержание
Сплайсинговые пути
В природе существует несколько методов сплайсинга РНК; тип сплайсинга зависит от структуры сплайсированного интрона и катализаторы требуется для сращивания.
Сплайсосомальный комплекс
Интроны
Слово интрон выводится из терминов внутригенная область, [1] и внутрицистрон, [2] то есть сегмент ДНК, расположенный между двумя экзонами ген. Термин интрон относится как к последовательности ДНК в гене, так и к соответствующей последовательности в необработанном транскрипте РНК. Как часть пути процессинга РНК, интроны удаляются путем сплайсинга РНК либо вскоре после, либо одновременно с ним. транскрипция. [3] Интроны присутствуют в генах большинства организмов и многих вирусов. Они могут находиться в широком спектре генов, в том числе в генах, генерирующих белки, рибосомная РНК (рРНК) и переносить РНК (тРНК). [4]
Становление и деятельность
Сплайсинг катализируется сплайсосома, большой комплекс РНК-белок, состоящий из пяти малых ядерных рибонуклеопротеидов (snRNPs). Сборка и активность сплайсосомы происходит во время транскрипции пре-мРНК. Компоненты РНК мяРНП взаимодействуют с интроном и участвуют в катализе. Было идентифицировано два типа сплайсосом (основные и второстепенные), которые содержат разные snRNPs.
Рекурсивное соединение
В большинстве случаев сплайсинг удаляет интроны как отдельные единицы из предшественника. мРНК стенограммы. Однако в некоторых случаях, особенно в мРНК с очень длинными интронами, сплайсинг происходит поэтапно: часть интрона удаляется, а затем на следующем этапе сплайсируется оставшийся интрон. Это было впервые обнаружено в Ультрабиторакс (Ubx) ген плодовой мушки, Drosophila melanogaster, и еще несколько Дрозофила гены, но также сообщалось о случаях заболевания у людей. [17] [18]
Трансплайсинг
Трансплайсинг это форма сплайсинга, при котором удаляются интроны или Outrons, и соединяет два экзона, которые не находятся в одном транскрипте РНК. [19]
Самосращивание
Самосращивание встречается для редких интронов, образующих рибозим, выполняя функции сплайсосомы только РНК. Есть три вида самосплайсинговых интронов: Группа I, II группа и III группа. Интроны группы I и II выполняют сплайсинг, аналогичный сплайсосоме, без использования какого-либо белка. Это сходство предполагает, что интроны групп I и II могут быть эволюционно связаны со сплайсосомой. Самосращивание также может быть очень древним и, возможно, существовало в Мир РНК присутствует до белка.
Две переэтерификации характеризуют механизм сплайсинга интронов группы I:
Механизм сплайсинга интронов группы II (две реакции переэтерификации, подобные интронам группы I) следующий:
сплайсинг тРНК
Эволюция
Сращивание происходит во всех королевства или же домены жизни, однако, степень и типы сращивания могут сильно различаться между основными подразделениями. Эукариоты сращивание многих белков, кодирующих информационные РНК и немного некодирующие РНК. Прокариоты, с другой стороны, сплайсируйте редко и в основном некодирующие РНК. Другое важное различие между этими двумя группами организмов заключается в том, что у прокариот полностью отсутствует сплайсосомный путь.
Поскольку сплайсосомные интроны консервативны не у всех видов, существуют дебаты относительно того, когда развился сплайсосомный сплайсинг. Были предложены две модели: интронная поздняя и интронная ранняя модели (см. эволюция интрона).
| Эукариоты | Прокариоты | |
|---|---|---|
| Сплайсосомальный | + | − |
| Самосращивание | + | + |
| тРНК | + | + |
Биохимический механизм
Сплайсосомный сплайсинг и самосплайсинг включают двухэтапный биохимический процесс. Оба шага включают переэтерификация реакции, происходящие между нуклеотидами РНК. Однако сплайсинг тРНК является исключением и не происходит при переэтерификации. [24]
Сплайсосомные и самосплайсинговые реакции переэтерификации протекают через две последовательные реакции переэтерификации. Во-первых, 2’OH определенного точка ветвления нуклеотид в интроне, определенный во время сборки сплайсосомы, выполняет нуклеофильная атака на первом нуклеотиде интрона в 5′-сайте сплайсинга, образуя лариат промежуточный. Во-вторых, 3’OH высвобожденного 5′-экзона затем выполняет электрофильную атаку на первый нуклеотид, следующий за последним нуклеотидом интрона в 3′-сайте сплайсинга, таким образом соединяя экзоны и высвобождая интронный лалиат. [25]
Альтернативная сварка
Во многих случаях процесс сплайсинга может создавать ряд уникальных белков, варьируя состав экзонов одной и той же мРНК. Это явление тогда называют альтернативное сращивание. Альтернативное сращивание может происходить разными способами. Экзоны можно удлинить или пропустить, или интроны можно сохранить. Подсчитано, что 95% транскриптов мультиэкзонных генов подвергаются альтернативному сплайсингу, некоторые случаи которого происходят тканеспецифичным образом и / или в определенных клеточных условиях. [26] Разработка высокопроизводительной технологии секвенирования мРНК может помочь количественно оценить уровни экспрессии альтернативно сплайсированных изоформ. Дифференциальные уровни экспрессии в тканях и клеточных линиях позволили разработать вычислительные подходы для прогнозирования функций этих изоформ. [27] [28] Учитывая эту сложность, альтернативный сплайсинг транскриптов пре-мРНК регулируется системой транс-действующих белков (активаторов и репрессоров), которые связываются с цис-действующими сайтами или «элементами» (энхансерами и сайленсерами) на самом транскрипте пре-мРНК. Эти белки и их соответствующие связывающие элементы способствуют или сокращают использование определенного сайта сплайсинга. Специфичность связывания зависит от последовательности и структуры цис-элементов, например в ВИЧ-1 много донорных и акцепторных сайтов сплайсинга. Среди различных сайтов сплайсинга ssA7, который является 3′-акцепторным сайтом, складывается в три петлевые структуры стволовых петель, то есть интронный сайленсер сплайсинга (ISS), экзонный энхансер сплайсинга (ESE) и экзонический сайленсер сплайсинга (ESSE3). Структура раствора сайленсера интронного сплайсинга и его взаимодействие с хозяйским белком hnRNPA1 дает представление о специфическом распознавании. [29] Однако, что усложняет альтернативный сплайсинг, следует отметить, что эффекты регулирующих факторов во многих случаях зависят от положения. Например, фактор сплайсинга, который служит активатором сплайсинга, когда он связан с интронным энхансерным элементом, может служить репрессором, когда он связан с его элементом сплайсинга в контексте экзона, и наоборот. [30] В дополнение к зависимым от положения эффектам элементов энхансера и сайленсера, расположение точки ветвления (то есть расстояние до ближайшего 3 ’акцепторного сайта) также влияет на сплайсинг. [8] Вторичная структура транскрипта пре-мРНК также играет роль в регуляции сплайсинга, например, путем объединения элементов сплайсинга или путем маскирования последовательности, которая в противном случае служила бы элементом связывания для фактора сплайсинга. [31] [32]
Ответ сплайсинга на повреждение ДНК
Повреждение ДНК влияет на факторы сращивания, изменяя их посттрансляционная модификация, локализация, экспрессия и активность. [33] Кроме того, повреждение ДНК часто нарушает сплайсинг, препятствуя его связыванию с транскрипция. Повреждение ДНК также влияет на сплайсинг и альтернативный сплайсинг генов, тесно связанных с Ремонт ДНК. [33] Например, повреждения ДНК модулируют альтернативный сплайсинг генов репарации ДНК. Brca1 и Ercc1.
Экспериментальные манипуляции со склейкой
События сварки могут быть изменены экспериментально [34] [35] путем связывания стерически блокирующей антисмысловой олигосы Такие как Морфолинос или же Пептидные нуклеиновые кислоты к сайтам связывания snRNP, к нуклеотиду точки ветвления, который закрывает лариат, [36] Теория расщепленного гена или к сайтам связывания регуляторных элементов сплайсинга. [37]
Ошибки сварки и вариации
Было высказано предположение, что треть всех болезнетворных мутаций влияет на сращивание. [30] Распространенные ошибки включают:
Хотя многие ошибки сплайсинга защищены механизмом контроля качества сотовой связи, называемым нонсенс-опосредованный распад мРНК (NMD), [38] также существует ряд заболеваний, связанных со сплайсингом, как указывалось выше. [39]
Аллельные различия в сплайсинге мРНК, вероятно, будут общим и важным источником фенотипического разнообразия на молекулярном уровне в дополнение к их вкладу в генетическую восприимчивость к болезням. Действительно, полногеномные исследования на людях выявили ряд генов, которые подвержены аллель-специфическому сплайсингу.
У растений изменение устойчивости к стрессу наводнения коррелирует с индуцированным стрессом альтернативным сплайсингом транскриптов, связанным с глюконеогенезом и другими процессами. [40]
Сплайсинг белков
Помимо РНК, сплайсингу могут подвергаться белки. Хотя биомолекулярные механизмы различны, принцип тот же: части белка, называемые интеины вместо интронов удаляются. Остальные части, названные exteins вместо экзонов сливаются вместе. Сплайсинг белков наблюдается у широкого круга организмов, включая бактерии, археи, растения, дрожжи и люди. [41]