RNS sazarošana (splicēšana): intronu izņemšana un eksonu savienošana
RNS sazarošana ir gēnu transkripcijas posms. Vēstnešu RNS (mRNS), kas pārnes kodu no DNS uz olbaltumvielām, tiek veidota divos posmos: vispirms rodas pirms-RNS (pre-mRNS), pēc tam tā tiek pārveidota par gatavu mRNS, izņemot intronus un savienojot eksonus.
Pirmajā posmā katrs gēns tiek transkribēts kā pre-mRNS. Pēc tam pre-mRNS eksonus savieno, veicot splicēšanu, kas notiek splicosomās — lielos RNS‑proteīnu kompleksos.
Tas ir nepieciešams, jo gēns bieži ir sadalīts kodējošās daļās, ko sauc par eksoniem, un nekodējošās daļās, ko sauc par introniem. Splicēšanas rezultātā introni tiek izgriezti ārā un eksoni savienoti, lai izveidotu garo, kontinuuo mRNS molekulu, ko var izmantot olbaltumvielu ražošanai.
Tātad molekulārajā bioloģijā sazarošana ir process, kurā tiek izņemti introni un savienoti eksoni. Tādējādi tiek izveidota galīgā mRNS. Pēc tam šo vēstnešu RNS izmanto pareizas olbaltumvielas ražošanai, veicot tulkošanu.
Kā splicēšana notiek (soļi īsumā)
- Signāla atpazīšana: splicosoma atpazīst splicēšanas secībai raksturīgus elementus pre-mRNS — 5' splices vietu (donora vieta), branch point (zariņu vieta), polipirimidīna trasi un 3' splices vietu (akceptora vieta).
- Splicosomas montāža: nelieli RNS‑proteīnu kompleksi (snRNPs) un daudzi proteīni saplūst kopā, lai veidotu aktīvu splicēšanas mašīnu.
- Katalīze un introna izmešana: 5' gals tiek nogriezts un sasaistīts ar zarveida A bāzi, veidojot lariat struktūru; pēc tam tiek nogriezts 3' gals un eksoni tiek savienoti.
- Produkta atbrīvošana: izņemtais introns parasti tiek degradēts, bet savienotā mRNS tiek tālāk pārveidota (piem., 5' galvas pievienošana, poliadenilēšana) un nosūtīta uz citoplazmu tulkošanai.
Splicosomas un molekulārie komponenti
Splicosoma sastāv no piecām galvenajām snRNP (U1, U2, U4, U5, U6) RNS un papildus vairākām proteīnām. Kopā tie atpazīst splices signālus un veic ķīmiskās reakcijas, kas nepieciešamas intronu izņemšanai un eksonu savienošanai.
Alternatīvā splicēšana — proteīnu dažādība
Ne visi pre-mRNS molekulās esošie eksoni vienmēr tiek savienoti vienādi. Alternatīvā splicēšana ļauj vienam gēnam radīt vairākas mRNS variācijas (izoformas), kas kodē atšķirīgas olbaltumvielas vai proteīnu variantus ar dažādām funkcijām. Galvenie alternatīvās splicēšanas veidi:
- eksona izlaide (exon skipping),
- mutuāli ekskluzīvi eksoni (vienlaicīgi ieslēgts tikai viens no vairākiem eksoniem),
- alternatīvas 5' vai 3' splices vietas,
- intronu saglabāšana (intron retention).
Alternatīvā splicēšana ievērojami palielina proteīnu daudzveidību eikariotos un ir svarīga attīstībā, audu specifitātē un šūnu reakcijā uz vidi.
Regulācija un bioloģiskā nozīme
Splicēšanu regulē splicēšanas faktori, piemēram, SR proteīni un hnRNP proteīni, kas saistās ar pre-mRNS un ietekmē splicosomas izvēli par splices vietām. Splicēšana bieži notiek ko-transkripcionāli — t.i., kamēr DNS tiek transkribēta, splicosomas jau veidojas un darbojas, un arī hromatīna stāvoklis vai transkripcijas ātrums var ietekmēt gala iznākumu.
Klīniskā nozīme
Mutācijas, kas maina splicēšanas signālus vai regulatoru darbību, var novest pie nepareizas splicēšanas un izraisīt slimības. Piemēram, dažas ģenētiskas hemoglobinopātijas, nieru un neiroloģiskas slimības ir saistītas ar splicēšanas traucējumiem. Terapijā izmanto arī mērķtiecīgas stratēģijas, piemēram, antisense oligonukleotīdus, lai mainītu splicēšanu un atjaunotu veselīgu proteīnu ražošanu.
Kā splicēšanu pēta laboratorijās
- RT‑PCR un kvantitatīvā PCR, lai noteiktu konkrētu izoformu klātbūtni un attiecību.
- RNA‑seq (pārejošā RNS sekvencēšana), lai globāli analizētu alternatīvos splicēšanas modeļus un jaunas eksonu kombinācijas.
- Biokimiskas un struktūranalītiskas metodes splicosomas komponentu un to mijiedarbību pētīšanai.
Kopumā splicēšana ir kritisks posms gēnu izpausmē — tā nodrošina, ka no kodējošās informācijas DNS var tikt ražotas funkcionālas olbaltumvielas un ka viena gēna potenciāls var radīt daudz dažādu produkciju, kas ir būtiski sarežģītām dzīves formām.
Vienkāršs eksonu un intronu ilustrējums pre-mRNS un nobriedušas mRNS veidošanās, veicot splicēšanu. UTR ir nekodētās eksonu daļas mRNS galos.
Alternatīvā sajaukšana
Daudzos gadījumos, mainot vienas un tās pašas ziņneša RNS eksonu sastāvu, sazarošanas procesā tiek radīti dažādi unikāli proteīni. Šo parādību sauc par alternatīvo sazarošanu. Alternatīvā sazarošana var notikt dažādos veidos. Eksonus var pagarināt vai izlaist, vai arī saglabāt intronus.
Eikarietes pret prokariotēm
Šķelšanās notiek visās dzīvības valstībās jeb sfērās, tomēr šķelšanās apjoms un veidi var būt ļoti atšķirīgi dažādās lielākajās dalīšanās jomās. Eikarionti sašķeļ daudzas olbaltumvielas kodējošas vēstnešu RNS un dažas nekodējošas RNS. Savukārt prokarioti sazaro reti. Vēl viena svarīga atšķirība ir tā, ka prokariotām pilnībā trūkst splicosomu.
Atklājums
1993. gadā Filips Šārps un Ričards Robertss saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā par intronu un splicēšanas procesa atklāšanu.
1977. gadā Šarpa un Robertsa laboratorijas darbs parādīja, ka augstāko organismu gēni ir "sadalīti" jeb atrodas vairākos atšķirīgos segmentos gar DNS molekulu.
Gēnu kodējošos apgabalus atdala nekodējošā DNS, kas nav iesaistīta olbaltumvielu ekspresijā. Nekodējošie reģioni, introni, tiek izgriezti no mRNS prekursoriem procesā, ko dēvē par "splicēšanu". Tika konstatēts, ka sadalītā gēna struktūra ir raksturīga lielākajai daļai eikariožu gēnu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir RNS sajaukšana?
A: RNS sazarošana ir process, kurā tiek noņemti introni un pievienoti eksoni pre-mRNS, lai iegūtu galīgo mRNS, ko izmanto olbaltumvielu ražošanai.
J: Kāds ir RNS sazarošanas mērķis?
A: RNS sašķelšanas mērķis ir noņemt nekodējošās daļas, ko sauc par introniem, un apvienot kodējošās daļas, ko sauc par eksoniem, lai izveidotu galīgo mRNS, ko var izmantot olbaltumvielu ražošanai.
J: Kas ir ziņneša RNS?
A: Vēstnešu RNS (mRNS) ir RNS veids, kas pārnes ģenētisko kodu no DNS uz olbaltumvielām.
Jautājums: Cik posmu ir vēstnešu RNS veidošanā?
A: Ir divi ziņnešu RNS veidošanas posmi.
J: Kas notiek pirmajā vēstnešu RNS veidošanas posmā?
A: Pirmajā ziņnešu RNS veidošanas posmā katrs gēns tiek tulkots pre-mRNS.
J: Kas ir spliceosomas?
A: Spliceosomas ir šūnu mašīnas, kas veic RNS sajaukšanu, noņemot intronus un savienojot eksonus pre-mRNS.
J: Kā no ziņneša RNS tiek iegūts pareizs proteīns?
A: Pareizs proteīns tiek iegūts no ziņneša RNS, veicot translāciju, kurā mRNS ģenētiskais kods tiek izmantots, lai no aminoskābēm izveidotu proteīnu.
