Введение
Молекулярная машина, удаляющая интронную РНК из первичного транскрипта. Сплайсосома – это крупный рибонуклеопротеиновый (РНП) комплекс, который преимущественно находится в ядре эукариотических клеток. Сплайсосома собирается из малых ядерных РНК (snRNA) и многочисленных белков. Молекулы малых ядерных РНК (snRNA) связываются со специфическими белками, формируя малый ядерный рибонуклеопротеиновый комплекс (snRNP, произносится "снурпс"), который, в свою очередь, объединяется с другими snRNP, образуя крупный рибонуклеопротеиновый комплекс, называемый сплайсосомой. Сплайсосома удаляет интроны из транскрибированной пре-мРНК, являющейся типом первичного транскрипта. Этот процесс обычно называют сплайсингом. Можно провести аналогию с киномонтажёром, который выборочно вырезает нерелевантные или ошибочные фрагменты (эквивалентные интронам) из исходной пленки и отправляет очищенную версию режиссеру для финального монтажа. Однако в некоторых случаях РНК внутри интрона выступает в роли рибозима, осуществляя сплайсинг самостоятельно, без использования сплайсосомы или белковых ферментов.
A spliceosome is a large ribonucleoprotein (RNP) complex found primarily within the nucleus of eukaryotic cells. The spliceosome is assembled from small nuclear RNAs (snRNA) and numerous proteins. Small nuclear RNA (snRNA) molecules bind to specific proteins to form a small nuclear ribonucleoprotein complex (snRNP, pronounced “snurps”), which in turn combines with other snRNPs to form a large ribonucleoprotein complex called a spliceosome. The spliceosome removes introns from a transcribed pre mRNA, a type of primary transcript. This process is generally referred to as splicing. An analogy is a film editor, who selectively cuts out irrelevant or incorrect material (equivalent to the introns) from the initial film and sends the cleaned up version to the director for the final cut. However, sometimes the RNA within the intron acts as a ribozyme, splicing itself without the use of a spliceosome or protein enzymes.
История
В 1977 году работы, проведенные в лабораториях Шарпа и Робертса, показали, что гены высших организмов имеют "прерывистую" структуру или представлены несколькими отдельными сегментами вдоль молекулы ДНК. Кодирующие области гена разделены некодирующей ДНК, не участвующей в экспрессии белка. Прерывистая структура гена была выявлена при гибридизации аденовирусных мРНК с фрагментами расщепления одноцепочечной вирусной ДНК эндонуклеазой. Первая реконструкция с молекулярным разрешением комплекса U4/U6.U5 – тройного малого ядерного рибонуклеопротеина (tri snRNP) – была опубликована в 2016 году. Криоэлектронная микроскопия была широко использована Ши и соавторами для определения структуры сплайсосомы с почти атомным разрешением как у дрожжей, так и у человека. Молекулярная основа сплайсосомы с почти атомным разрешением демонстрирует, что компонент Spp42 snRNP U5 формирует центральный каркас и закрепляет каталитический центр у дрожжей. Атомная структура сплайсосомы человека показывает, что компонент Slu7 второго этапа принимает расширенную конформацию, готовую к выбору 3'-сайта сплайсинга. Все пять металлов (идентифицированных как Mg2+) в комплексе дрожжей сохраняются в человеческом комплексе.
Альтернативное сплайсирование
Альтернативный сплайсинг (рекомбинация различных экзонов) является основным источником генетического разнообразия у эукариот. Сплицевые варианты используются для объяснения относительно небольшого числа генов, кодирующих белки, в геноме человека, которое в настоящее время оценивается примерно в 20 000. Предполагается, что один конкретный ген дрозофилы, Dscam, может подвергаться альтернативному сплайсингу, образуя 38 000 различных мРНК, при условии, что все его экзоны могут сплайсироваться независимо друг от друга.
Сборка
Модель формирования активного центра сплайсосомы включает упорядоченную, поэтапную сборку дискретных частиц snRNP на субстрате пре-мРНК. Первое распознавание пре-мРНК включает связывание U1 snRNP с 5'-концевым сайтом сплайсинга пре-мРНК и другими факторами, не связанными с snRNP, для формирования комплекса коммитмента, или раннего (E) комплекса у млекопитающих. Комплекс коммитмента является АТФ-независимым комплексом, который направляет пре-мРНК по пути сплайсинга. U2 snRNP рекрутируется в область ветвления посредством взаимодействия с компонентом E-комплекса U2AF (вспомогательный фактор U2 snRNP) и, возможно, U1 snRNP. В АТФ-зависимой реакции U2 snRNP прочно связывается с последовательностью точки ветвления (BPS) с образованием комплекса A. Дуплекс, образованный между U2 snRNP и областью ветвления пре-мРНК, образует выпячивание, выделяя ветвистый аденозин и определяя его как нуклеофил для первой трансестерификации. Наличие псевдоуридина в U2 snRNA, расположенного почти напротив ветвистого участка, приводит к изменению конформации дуплекса РНК-РНК при связывании U2 snRNP. В частности, измененная структура дуплекса, индуцированная псевдоуридином, помещает 2'-OH выпячивающегося аденозина в благоприятное положение для первого этапа сплайсинга. U4/U5/U6 три-snRNP (см. рисунок 1) рекрутируется к собирающейся сплайсосоме для образования комплекса B, и после нескольких перестроек комплекс C активируется для катализа. Неясно, как три-snRNP рекрутируется к комплексу A, но этот процесс может быть опосредован взаимодействиями белок-белок и/или взаимодействиями между основаниями между U2 snRNA и U6 snRNA. U5 snRNP взаимодействует с последовательностями в 5'- и 3'-сайтах сплайсинга через инвариантный контур U5 snRNA, а белковые компоненты U5 взаимодействуют с областью 3'-сайта сплайсинга. После рекрутирования три-snRNP несколько перестроек РНК-РНК предшествуют первому каталитическому этапу, а в каталитически активной сплайсосоме происходят дальнейшие перестройки. Некоторые взаимодействия РНК-РНК являются взаимоисключающими; однако, неизвестно, что запускает эти взаимодействия и каков порядок этих перестроек. Первая перестройка, вероятно, заключается в вытеснении U1 snRNP с 5'-сайта сплайсинга и образовании взаимодействия U6 snRNA. Известно, что U1 snRNP слабо связан с полностью сформированными сплайсосомами, и U1 snRNP ингибирует образование взаимодействия U6 с 5'-сайтом сплайсинга на модели олигонуклеотида субстрата, содержащего короткий 5'-экзон и 5'-сайт сплайсинга. Связывание U2 snRNP с последовательностью точки ветвления (BPS) является примером взаимодействия РНК-РНК, вытесняющего взаимодействие белок-РНК. При рекрутировании U2 snRNP вытесняется ветвящий белок SF1 в комплексе коммитмента, поскольку сайты связывания U2 snRNA и SF1 являются взаимоисключающими событиями. Внутри U2 snRNA происходят другие взаимоисключающие перестройки между конкурирующими конформациями. Например, в активной форме предпочтительна шпилька IIa; в неактивной форме преобладает взаимоисключающее взаимодействие между контуром и нижележащей последовательностью. Группа менее распространенных snRNA, U11, U12, U4atac и U6atac, вместе с U5, являются субъединицами минорной сплайсосомы, которая сплайсирует редкий класс интронов пре-мРНК, обозначаемых типом U12. Минорная сплайсосома находится в ядре, как и ее основной аналог, хотя есть исключения в некоторых специализированных клетках, включая безъядерные тромбоциты и дендроплазму (дендритную цитоплазму) нейронных клеток.