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.

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.