Введение
Сплицинг РНК — это процесс в молекулярной биологии, в ходе которого новообразованный прекурсорный транскрипт мРНК (пре-мРНК) превращается в зрелую мРНК. Этот процесс заключается в удалении всех интронов (некодирующих участков РНК) и соединении экзонов (кодирующих участков) вместе. Для генов, закодированных в ядре, сплицинг происходит в ядре либо во время, либо сразу после транскрипции. Для эукариотических генов, содержащих интроны, сплицинг обычно необходим для создания молекулы мРНК, которую можно транслировать в белок. Для многих эукариотических интронов сплицинг происходит в серии реакций, катализируемых сплайсосомой — комплексом малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП). Существуют самосплайсирующиеся интроны, то есть рибозимы, способные катализировать собственное вырезание из родительской молекулы РНК. Процесс транскрипции, сплицинга и трансляции называется экспрессией генов, центральной догмой молекулярной биологии.
RNA splicing is a process in molecular biology where a newly made precursor messenger RNA (pre mRNA) transcript is transformed into a mature messenger RNA (mRNA). It works by removing all the introns (non coding regions of RNA) and splicing back together exons (coding regions). For nuclear encoded genes, splicing occurs in the nucleus either during or immediately after transcription. For those eukaryotic genes that contain introns, splicing is usually needed to create an mRNA molecule that can be translated into protein. For many eukaryotic introns, splicing occurs in a series of reactions which are catalyzed by the spliceosome, a complex of small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs). There exist self splicing introns, that is, ribozymes that can catalyze their own excision from their parent RNA molecule. The process of transcription, splicing and translation is called gene expression, the central dogma of molecular biology.
Пути сцепления
В природе существует несколько методов сплайсинга РНК; тип сплайсинга зависит от структуры вырезаемого интрона и катализаторов, необходимых для осуществления сплайсинга.
Интроны
Слово интрон происходит от терминов интрагенная область и интрацистрон, то есть сегмент ДНК, расположенный между двумя экзонами гена. Термин интрон относится как к последовательности ДНК в гене, так и к соответствующей последовательности в необработанном транскрипте РНК. В ходе процесса обработки РНК интроны удаляются посредством сплайсинга РНК вскоре после или одновременно с транскрипцией. Интроны встречаются в генах большинства организмов и многих вирусов. Они могут располагаться в широком спектре генов, включая гены, кодирующие белки, рибосомальную РНК (рРНК) и транспортную РНК (тРНК). Для сплайсинга внутри интронов необходимы донорный сайт (на 5'-конце интрона), сайт ветвления (вблизи 3'-конца интрона) и акцепторный сайт (на 3'-конце интрона). Донорный сайт сплайсинга включает почти инвариантную последовательность GU на 5'-конце интрона, в пределах более крупной, менее консервативной области. Акцепторный сайт сплайсинга на 3'-конце интрона завершается почти инвариантной последовательностью AG. Выше по течению (в 5'-направлении) от AG расположена область, богатая пиримидинами (C и U), или полипиримидиновый тракт. Дальше выше по течению от полипиримидинового тракта находится точка ветвления, включающая адениновый нуклеотид, участвующий в образовании лариата. Консенсусная последовательность интрона (в нотации нуклеиновых кислот IUPAC) следующая: G G [разрез] G U R A G U (донорный сайт) – последовательность интрона – Y U R A C (последовательность ветвления, расположенная на 20–50 нуклеотидов выше по течению от акцепторного сайта) – Y богатая N C A G [разрез] G (акцепторный сайт). Однако отмечается, что специфическая последовательность интронических элементов сплайсинга и количество нуклеотидов между точкой ветвления и ближайшим 3'-акцепторным сайтом влияют на выбор сайта сплайсинга. Кроме того, точечные мутации в основной ДНК или ошибки во время транскрипции могут активировать криптический сайт сплайсинга в части транскрипта, которая обычно не подвергается сплайсингу. Это приводит к образованию зрелой мРНК с отсутствующим участком экзона. Таким образом, точечная мутация, которая в противном случае могла бы повлиять только на одну аминокислоту, может проявляться в виде делеции или укорочения в конечном белке.
Рекурсивное сплайсирование
В большинстве случаев сплайсинг удаляет интроны целиком из прекурсорных транскриптов мРНК. Однако в некоторых случаях, особенно в мРНК с очень длинными интронами, сплайсинг происходит поэтапно: сначала удаляется часть интрона, а затем оставшаяся часть вырезается на следующем этапе. Впервые это было обнаружено в гене Ultrabithorax (Ubx) плодовой мушки Drosophila melanogaster, а также в нескольких других генах Drosophila, но случаи поэтапного сплайсинга зарегистрированы и у человека.
Трансплейсинг
Транссплайсинг – это форма сплайсинга, которая удаляет интроны или аутроны и соединяет два экзона, не входящих в состав одного и того же РНК-транскрипта. Транссплайсинг может происходить между двумя различными эндогенными пре-мРНК или между эндогенной и экзогенной (например, вирусной) или искусственной РНК.
Сплицирование тРНК
Сплицирование тРНК (а также тРНК-подобных молекул) – это еще одна редкая форма сплайсинга, которая обычно происходит в тРНК. Реакция сплайсинга включает в себя другую биохимию, чем сплайсосомальные и самосплайсинговые пути. У дрожжей *Saccharomyces cerevisiae* гетеротетрамер эндонуклеазы сплайсинга тРНК, состоящий из TSEN54, TSEN2, TSEN34 и TSEN15, расщепляет пре-тРНК в двух местах в акцепторной петле, образуя 5'-половинку тРНК, оканчивающуюся 2',3'-циклическим фосфодиэфиром, и 3'-половинку тРНК, оканчивающуюся 5'-гидроксильной группой, а также удаляемый интрон. Далее киназа тРНК дрожжей фосфорилирует 5'-гидроксильную группу, используя аденозинтрифосфат. Циклическая фосфодиэстераза тРНК дрожжей расщепляет циклический фосфодиэфир, формируя 2'-фосфорилированный 3'-конец. Лигаза тРНК дрожжей присоединяет монофосфат аденозина к 5'-концу 3'-половинки и соединяет две половинки вместе. Затем NAD-зависимая 2'-фосфотрансфераза удаляет 2'-фосфатную группу.
Биохимический механизм
Сплицеосомное сплайсирование и самосплайсирование включают двухэтапный биохимический процесс. Оба этапа включают реакции трансэстерификации, происходящие между нуклеотидами РНК. Однако сплайсирование тРНК является исключением и не происходит посредством трансэстерификации. Реакции трансэстерификации при сплицеосомном и самосплайсинге протекают через две последовательные трансэстерификационные реакции. Сначала 2'-OH специфического нуклеотида ветвления внутри интрона, определяемого в процессе сборки сплайсосомы, осуществляет нуклеофильную атаку на первый нуклеотид интрона в 5'-месте сплайсинга, формируя лариатный интермедиат. Затем 3'-OH высвободившегося 5'-экзона осуществляет нуклеофильную атаку на первый нуклеотид, следующий за последним нуклеотидом интрона в 3'-месте сплайсинга, тем самым соединяя экзоны и высвобождая интронный лариат.
Альтернативное сплайсирование
Во многих случаях процесс сплайсинга может создавать ряд уникальных белков, варьируя экзонный состав одной и той же мРНК. Это явление называется альтернативным сплайсингом. Альтернативный сплайсинг может происходить различными способами. Экзоны могут удлиняться или пропускаться, или интроны могут задерживаться. По оценкам, 95% транскриптов от мультиэксонных генов подвергаются альтернативному сплайсингу, некоторые случаи которого происходят специфично для тканей и/или при определенных клеточных условиях. Разработка высокопроизводительных технологий секвенирования мРНК позволяет количественно оценить уровни экспрессии альтернативно сплайсированных изоформ. Дифференциальные уровни экспрессии в тканях и клеточных линиях позволили разработать вычислительные подходы для предсказания функций этих изоформ. Учитывая эту сложность, альтернативный сплайсинг пре-мРНК-транскриптов регулируется системой транс-действующих белков (активаторов и репрессоров), которые связываются с цис-действующими участками или "элементами" (усилителями и репрессорами) на самой пре-мРНК-транскрипте. Эти белки и их соответствующие элементы связывания способствуют или снижают использование определенного сайта сплайсинга. Специфичность связывания определяется последовательностью и структурой цис-элементов, например, в ВИЧ-1 существует множество донорных и акцепторных сайтов сплайсинга. Среди различных сайтов сплайсинга ssA7, являющийся 3'-акцепторным сайтом, формирует три структуры стебель-петля, то есть интронный репрессор сплайсинга (ISS), экзонный энхансер сплайсинга (ESE) и экзонный репрессор сплайсинга (ESSE3). Структура в растворе интронного репрессора сплайсинга и его взаимодействие с белком-хозяином hnRNPA1 дают представление о специфическом распознавании. Однако, добавляя сложности альтернативному сплайсингу, отмечается, что эффекты регуляторных факторов во многих случаях зависят от их положения. Например, фактор сплайсинга, который служит активатором сплайсинга при связывании с интронным усиливающим элементом, может служить репрессором при связывании с его сплайсинг-элементом в контексте экзона, и наоборот. В дополнение к зависящим от положения эффектам усилителей и репрессоров, расположение точки ветвления (то есть расстояние выше по течению от ближайшего 3'-акцепторного сайта) также влияет на сплайсинг.
Роль сплайсинга/альтернативного сплайсинга в интеграции ВИЧ
Процесс сплайсинга связан с интеграцией ВИЧ, так как ВИЧ-1 ориентирован на гены с высокой частотой сплайсинга.
Ответ сплицирования на повреждение ДНК
Повреждение ДНК влияет на факторы сплайсинга, изменяя их посттрансляционные модификации, локализацию, экспрессию и активность. Более того, повреждение ДНК часто нарушает сплайсинг, вмешиваясь в его связь с транскрипцией. Повреждение ДНК также оказывает влияние на сплайсинг и альтернативный сплайсинг генов, тесно связанных с репарацией ДНК, посредством связывания стерически блокирующих антисмысловых олигонуклеотидов, таких как морфолины или пептидные нуклеиновые кислоты, с участками связывания малых ядерных РНК (snRNP), с нуклеотидом ветвления, замыкающим лариат, или с участками связывания регуляторных элементов сплайсинга. Использование антисмысловых олигонуклеотидов для модуляции сплайсинга продемонстрировало большой потенциал в качестве терапевтической стратегии при различных генетических заболеваниях, вызванных дефектами сплайсинга. Недавние исследования показали, что сплайсинг РНК может регулироваться различными эпигенетическими модификациями, включая метилирование ДНК и модификации гистонов.
Ошибки сцепления и вариации
Предполагается, что одна треть всех мутаций, вызывающих заболевания, оказывает влияние на сплайсинг. Существует ряд заболеваний, связанных со сплайсингом, как было указано выше. Аллельные различия в сплайсинге мРНК, вероятно, являются распространенным и важным источником фенотипического разнообразия на молекулярном уровне, помимо их вклада в предрасположенность к генетическим заболеваниям. Действительно, полногеномные исследования у людей выявили ряд генов, подверженных аллель-специфическому сплайсингу. У растений вариации в устойчивости к затоплению коррелировали со стресс-индуцированным альтернативным сплайсингом транскриптов, связанных с глюконеогенезом и другими процессами.
Сплицирование белков
В дополнение к РНК, белки также могут подвергаться сплайсингу. Хотя биомолекулярные механизмы отличаются, принцип тот же: части белка, называемые интеинами вместо интронов, удаляются. Оставшиеся части, называемые экстеинами вместо экзонов, соединяются вместе. Сплайсинг белков наблюдался у широкого спектра организмов, включая бактерии, археи, растения, дрожжи и людей.
Сплицирование и генез циркРНК
Существование обратного сплайсинга было впервые предложено в 2012 году. Этот обратный сплайсинг объясняет происхождение круговых РНК, возникающих в результате точного соединения 3'-конца экзона с 5'-концом экзона, расположенного выше по току. В этих экзонических круговых РНК место соединения представляет собой классическую 3'-5' связь. Исключение интронных последовательностей во время сплайсинга также может оставлять следы в виде круговых РНК. В некоторых случаях интронный лариат не разрушается, и круглая часть остается в виде циркулярной РНК, происходящей из лариата. В этих циркулярных РНК, происходящих из лариата, место соединения представляет собой 2'-5' связь.