Кіріспе

РНК тігілуі – молекулалық биологияда жаңадан түзілген алдынғы мессенджер РНК (pre-mRNA) транскриптісінің піскен мессенджер РНК-ға (mRNA) айналу процесі. Ол РНК-ның кодтамайтын бөліктері болып табылатын барлық интрондарды алып тастау және кодталатын бөліктер – экзондарды қайта біріктіру арқылы жүзеге асырылады. Ядролық кодталған гендер үшін тігілу транскрипция барысында немесе одан кейін ядрода өтеді. Интрондары бар эукариоттық гендер үшін, протеинге аударылатын mRNA молекуласын жасау үшін тігілу әдетте қажет. Көптеген эукариоттық интрондарда тігілу шағын ядролық рибонуклеопротеиндер кешені (snRNP) катализдейтін реакциялар тізбегі арқылы жүреді. Өзін-өзі тігілетін интрондар да бар, яғни өздерінің бастапқы РНК молекуласынан өздерін кесіп шығаруын катализдей алатын рибозимдер. Транскрипция, тігілу және трансляция процесі гендік экспрессия деп аталады, бұл молекулалық биологияның негізгі қағидасы.

Тігіс жолдары

РНК-ның бірнеше түрі табиғатта кездеседі; сплиссинг түрі сплиссинг процесіне қажетті интронның құрылымы мен катализаторларға байланысты болады.

Интрондар

Интрон сөзі «интрагендік аймақ» және «интрацистрон» терминдерінен туындаған, яғни геннің екі экзоны арасында орналасқан ДНК сегменті. Интрон термині гендегі ДНК тізбегі мен өңделмеген РНК транскриптіндегі сәйкес тізбекті білдіреді. РНҚ өңдеу процесінің бөлігі ретінде интрондар РНҚ тігілуі арқылы транскрипциядан кейін немесе осымен бірге алынып тасталады. Интрондар көптеген организмдер мен көптеген вирустардың гендерінде кездеседі. Олар ақуыздарды, рибосомалық РНК (rRNA) және трансферлік РНК (tRNA) жасайтын гендерді қоса алғанда, кең ауқымдағы гендерде орналаса алады. Интрондарда тігілу үшін донорлық сайт (интронның 5' ұшы), тармақталу сайты (интронның 3' ұшына жақын) және акцепторлық сайт (интронның 3' ұшы) қажет. Тігілу донорлық сайтында интронның 5' шетінде үлкен, азырақ сақталған аймақта GU тізбегі шамамен өзгермейді. Интронның 3' шетіндегі тігілу акцепторлық сайты интронды шамамен өзгермейтін AG тізбегімен аяқтайды. AG-дан жоғары (5' бағытында) пиримидиндерге (С және U) бай немесе полипиримидиндік жолға ие аймақ бар. Полипиримидиндік жолдан жоғарырақ тармақталған нүкте орналасқан, ол лариат түзілуіне қатысатын аденин нуклеотидін қамтиды. Интронның консенсус тізбегі (IUPAC нуклеин қышқылы нотациясы бойынша) келесідей: G G [cut] G U R A G U (донорлық сайт) интрон тізбегі Y U R A C (акцепторлық сайттан 20-50 нуклеотид жоғарырақ орналасқан тармақ тізбегі) Y бай N C A G [cut] G (акцепторлық сайт). Дегенмен, интрондық тігілу элементтерінің нақты тізбегі және тармақталған нүкте мен ең жақын 3' акцепторлық сайт арасындағы нуклеотидтер саны тігілу сайттарын таңдауға әсер ететіні атап өтіледі. Сонымен қатар, негізгі ДНК-дағы нүктелік мутациялар немесе транскрипция кезіндегі қателер транскрипттың әдетте тігілмейтін бөлігінде жасырын тігілу сайтының белсендіруіне әкелуі мүмкін. Бұл экзонның бөлігі жоқ жетілген мессенджер РНК-ға (mRNA) әкеледі. Осылайша, әдетте тек бір аминқышқылына ғана әсер ететін нүктелік мутация соңғы белокта жойылу немесе қысқарту ретінде көрінеді.

Рекурсивті шлифттеу

Көп жағдайда, спилинг прекурсорлық мРНК транскрипттерінен интрондарды толық бірліктер ретінде жояды. Дегенмен, кейбір жағдайларда, әсіресе өте ұзын интрондары бар мРНК-ларда, спилинг кезең-кезеңмен жүзеге асады, яғни интронның бір бөлігі жойылып, қалған бөлігі келесі кезеңде спилингтеледі. Бұл алғаш рет жеміс шыбығының (Drosophila melanogaster) Ultrabithorax (Ubx) генінде және бірнеше басқа Drosophila гендерінде анықталған, сондай-ақ адамдарда да осындай жағдайлар тіркелген.

Транс-сплицинг

Транс-сплицинг – интрондар немесе аутрондарды жойып, бір РНК транскриптінің ішінде орналасқан емес екі экзонды біріктіретін сплицинг түрі. Транс-сплицинг екі әртүрлі эндогенді алдын-мРНК арасында немесе эндогенді және экзогенді (мысалы, вирустардан) немесе жасанды РНК арасында жүзеге асуы мүмкін.

tRNA-ны жұптастыру

tRNA (немесе tRNA-ға ұқсас) жұптастыру – tRNA-да әдетте кездесетін жұптастырудың тағы бір сирек түрі. Жұптастыру реакциясы сплицеосомалық және өздігінен жұптастыру жолдарынан өзгеше биохимияны қамтиды. *Saccharomyces cerevisiae* ашытқысында TSEN54, TSEN2, TSEN34 және TSEN15 құрамындағы ашытқының тРНК ендонуклеаза гетеротетрамері пре-тРНК-ны қабылдаушы тізбекте екі жерде кесіп, 2',3' циклдік фосфодиэстер тобымен аяқталатын 5' жарты тРНК және 5' гидроксил тобымен аяқталатын 3' жарты тРНК-ны, сондай-ақ қабылданып тасталған интронмен бөліп шығарады. Содан кейін ашытқының тРНК киназасы аденозин трифосфатын пайдаланып 5' гидроксил тобын фосфорлап береді. Ашытқының тРНК циклдік фосфодиэстеразасы циклдік фосфодиэстер тобын кесіп, 2' фосфорилденген 3' ұшын қалыптастырады. Ашытқының тРНК лигазасы 3' жартының 5' ұшына аденозин монофосфат тобын қосып, екі жартыны біріктіреді. NAD-ге тәуелді 2' фосфотрансфераза 2' фосфат тобын алып тастайды.

Биохимиялық механизм

Сплицеосомалық тігілу және өзіндік тігілу екі қадамды биохимиялық процесті қамтиды. Екі қадамда да РНК нуклеотидтері арасында жүзеге асатын трансэстерификациялық реакциялар болады. Дегенмен, тРНК тігілуі – ерекше жағдай және трансэстерификация арқылы жүзеге аспайды. Сплицеосомалық және өзіндік тігілудегі трансэстерификациялық реакциялар екі тізбекті трансэстерификациялық реакция арқылы өтеді. Біріншіден, сплицеосома құрастырылу кезінде анықталатын интрон ішіндегі белгілі бір тармақты нүктелік нуклеотидтің 2'OH тобы, 5' тігілу орнындағы интронның бірінші нуклеотидіне нуклеофильді шабуыл жасайды, нәтижесінде лариат аралық түзіледі. Екіншіден, босатылған 5' экзонның 3'OH тобы, интронның соңғы нуклеотидінен кейін 3' тігілу орнындағы бірінші нуклеотидке нуклеофильді шабуыл жасайды, осылайша экзондар біріктіріліп, интрон лариаты босатылады.

Баламалы тігіс

Көп жағдайда, тігілу процесі бір мРНҚ-ның экзон құрамын өзгертіп, бірнеше ерекше ақуыздардың пайда болуын қамтамасыз етеді. Бұл құбылыс баламалы тігілу деп аталады. Баламалы тігілу көптеген жолдармен жүзеге асуы мүмкін. Экзондар ұзартылуы немесе жіберіліп тасталуы мүмкін, ал интрондар сақталуы мүмкін. Көпэкзонды гендерден алынған транскрипттердің 95%-ы баламалы тігілуге ұшырайды деп есептеледі, олардың кейбір жағдайлары тіндік ерекшелікпен және/немесе нақты жасушалық жағдайларда кездеседі. Жоғары өнімді мРНҚ тізбектеу технологиясының дамуы баламалы тігілген изоформалардың экспрессия деңгейін анықтауға көмектеседі. Тіндер мен жасуша туындыларындағы экспрессия деңгейінің айырмашылықтары осы изоформалардың функцияларын болжау үшін есептеу әдістерін жасауға мүмкіндік берді. Осы күрделілікті ескере отырып, пре-мРНҚ транскрипттерінің баламалы тігілуі, пре-мРНҚ транскриптісіндегі цис-әрекеттесетін орындарға немесе "элементтерге" (күшейткіштер мен үнсіздендіргіштерге) байланысатын транс-әрекеттесетін ақуыздар (активаторлар мен репрессорлар) жүйесімен реттеледі. Бұл ақуыздар және олардың тиісті байланыстыру элементтері белгілі бір тігілу орнының қолданылуын ынталандырады немесе төмендетеді. Байланыс ерекшелігі цис-элементтердің тізбегі мен құрылымынан туындайды, мысалы, HIV-1 вирусында көптеген донорлық және акцепторлық тігілу орындары бар. Әртүрлі тігілу орындарының арасында ssA7, 3'-акцепторлық орын, үш сабақтық цикл құрылымына жиналады, яғни интрондық тігілу үнсіздендіргішіне (ISS), экзондық тігілу күшейткішіне (ESE) және экзондық тігілу үнсіздендіргішіне (ESSE3). Интрондық тігілу үнсіздендіргішінің ерітіндідегі құрылымы және оның иесі ақуыз hnRNPA1-мен өзара әрекеттесуі нақты тану туралы түсінік береді. Алайда, баламалы тігілудің күрделілігін арттыра отырып, реттеуші факторлардың әсерінің көп жағдайда орынға тәуелді екендігі айтылады. Мысалы, интрондық күшейткіш элементке байланысқанда тігілу активаторы ретінде қызмет ететін фактор, экзон контекстіндегі тігілу элементіне байланысқанда репрессор ретінде қызмет ете алады, және керісінше. Күшейткіш және үнсіздендіргіш элементтердің орналасуына байланысты әсерлерден басқа, тармақталу нүктесінің орналасуы (яғни, ең жақын 3' акцепторлық орыннан жоғары қарайғы қашықтық) да тігілуге әсер етеді.

Сплиссингтің ВИЧ-интеграциядағы рөлі

Сплиссинг процесі ВИЧ интеграциясымен байланысты, себебі ВИЧ-1 жоғары сплиссингтелген гендерді таңдайды.

ДНҚ зақымдануына реакция

ДНҚ зақымдануы трансляциядан кейінгі модификация, локализация, экспрессия және активтіліктерін өзгерту арқылы тігілу факторларына әсер етеді. Бұдан әрі, ДНҚ зақымдануы көбінесе транскрипциямен байланысына кедергі келтіре отырып, тігілуді бұзады. ДНҚ зақымдануы ДНҚ жөндеумен тығыз байланысты гендердің тігілуіне және балама тігілуіне де әсер етеді. snRNP байланыс орындарына, лариатты жабатын тармақты нуклеотидке немесе тігілуді реттеуші элементтерге байланыс орындарына стерикалық кедергі келтіретін антисенс олигонуклеотидтерін, мысалы морфолиноларды немесе пептидтік нуклеин қышқылдарын қосу арқылы. Тігілуді модуляциялау үшін антисенс олигонуклеотидтерін қолдану, тігілудің бұзылуынан туындаған түрлі генетикалық ауруларға емдік стратегия ретінде үлкен мүмкіндіктер береді. Соңғы зерттеулер РНК тігілуі ДНҚ метилирлеу және гистондық модификациялар сияқты әртүрлі эпигенетикалық модификациялар арқылы реттелуі мүмкін екенін көрсетті.

Тіркелу қателері мен өзгерісі

Барлық ауру тудыратын мутациялардың үштен бірі тігілуге әсер етеді деп ұсынылған. Жоғарыда айтылғандай, тігілуге байланысты бірнеше аурулар да бар. мРНҚ тігілуіндегі аллельдік айырмашылықтар генетикалық ауруларға осалдыққа үлес қосатын қатар, молекулалық деңгейде фенотиптік әртүрліліктің жиі кездесетін және маңызды көзі болуы мүмкін. Шындығында, адам геномы бойынша жүргізілген зерттеулер аллельге қатысты тігілуге жататын бірнеше гендерді анықтады. Өсімдіктерде, су тасқынына төзімділіктегі өзгерістер глюконеогенез және басқа да процестермен байланысты транскрипттердің стресске реакциядағы балама тігілуімен байланысты болды.

Белоктарды біріктіру

РНК-дан басқа, ақуыздар да тілінуге (сплайсингке) ұшырайды. Биомолекулалық механизмдер әр түрлі болғанымен, принцип бірдей: интрон емес, интеин деп аталатын ақуыздың бөліктері алынып тасталады. Экзон емес, экстеин деп аталатын қалған бөліктер біріктіріледі. Ақуыз тілінуі бактериялар, археялар, өсімдіктер, дрожжилер және адамдар сияқты кең ауқымды организмдерде байқалды.

СыркРНК-ның жұтылуы мен пайда болуы

2012 жылы кері тігіс болуы алғаш рет ұсынылды. Бұл кері тігіс, экзонның 3' шекарасы мен ағысқа қарай орналасқан экзонның 5' шекарасы арасындағы нақты қосылыстан пайда болатын дөңгелек РНК-ның пайда болуын түсіндіреді. Бұл экзоникалық дөңгелек РНК-дағы қосылыс классикалық 3'–5' байланысы болып табылады. Сплиссинг кезінде интрондық тізбектерді алып тастау да дөңгелек РНК түрінде із қалдыруы мүмкін. Кейбір жағдайларда интрондық лариат жойылмайды және дөңгелек бөлігі лариаттан туындаған циркРНК ретінде сақталады. Бұл лариаттан туындаған дөңгелек РНК-дағы қосылыс 2'–5' байланысы болып табылады.