МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ АВТОНОМНОЙ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ
ТАВРИЧЕСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.И.ВЕРНАДСКОГО
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра биохимии
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СПЛАЙСИНГА
Симферополь, 2009
СОДЕРЖАНИЕ
СПЛАЙСИНГ РНК
Введение
Сплайсосомные интроны
Альтернативный сплайсинг
Сборка сплайсосомы
СПЛАЙСИНГ БЕЛКОВ
Структура интеинов
Современные представления о механизме белкового сплайсинга
Эндонуклеазная активность интеинов
Использование интеинов в биотехнологии
Заключение
Список литературы
Сплайсинг -- созревание информационной РНК (мРНК) у эукариот, в процессе которого путём биохимических реакций с участием РНК и белков из иРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом экзоны. Таким образом предшественник иРНК превращается в зрелую иРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки.
Работа Шарпа и Робертса, опубликованная в 1977 году, показала, что гены высших организмов «рассеяны», то есть хранятся в нескольких различных участках ДНК. Кодирующие отрезки гена перемежаются с некодирующей ДНК, которая не используется при экспрессии белков. «Рассеянная» структура гена была обнаружена, когда аденовирусная мРНК была скрещена с фрагментами моноспирали ДНК, оставшимися после воздействия эндонуклеазы. После такого скрещивания выяснилось, что мРНК-участки этих гибридных молекул мРНК-ДНК содержат 5'- и 3'-концы участков, не обладающие водородными связями. Более длинные отрезки ДНК при гибридизации закольцовывались и образовывали ответвления. Стало ясно, что эти закольцованные участки, содержащие ненужные последовательности, извлекаются из пре-мРНК в результате процесса, который и был назван «сплайсингом». Впоследствии было также выяснено, что рассеянная структура крайне широко распространена у эукариотических генов.
В природе обнаружены несколько вариантов сплайсинга. Какой из них будет проходить в каждом случае зависит от структуры интрона и катализатора, необходимого для реакции.
Сплайсосомные интроны часто находятся в генах, кодирующих белки. Для сплайсинга необходимо наличие специальных 3'- и 5' -- последовательностей. Сплайсинг катализируется сплайсосомой -- большим комплексом между РНК и белками, состоящим из пяти малых ядерных рибонуклеопротеидов (мяРНП). РНК-составляющая мяРНПов взаимодействует с интроном и, возможно, участвует в катализе. Обнаружены два типа сплайсосом (главная и дополнительная), отличающиеся по входящим в их состав мяРНП.
Главная сплайсосома принимает участие в сплайсинге интронов, содержащих гуанин и урацил (GU) в 5 сайте и аденин и гуанин (AU) в 3 сплайсинг-сайте. Она состоит из мяРНП: U1, U2, U4, U5 и U6.
Сплайсосома -- структура, состоящая из молекул РНК и белков и осуществляющая удаление некодирующих последовательностей (интронов) из предшественников мРНК. Этот процесс называется сплайсингом (от 'англ.' splicing -- сращивание). Сплайсосому составляют пять малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП) и некоторое количество дополнительных белковых факторов.
Содержащиеся в сплайсосоме мяРНП называются U1, U2, U4, U5 и U6. Они участвуют во многих взаимодействиях между молекулами РНК, а также между РНК и белками.
РНК-часть мяРНП богата уридином.
В общем случае сборка сплайсосомы происходит заново для каждой мРНК-предшественника. Молекула пре-мРНК обязательно содержит специфические фрагменты последовательности, распознаваемые во время сборки сплайсосомы. Это 5'-конце, последовательность точки ветвления, полипиримидиновый участок и 3'-конец.
Сплайсосома катализирует удаление промежуточных последовательностей и соединение соседних экзонов. Интроны обычно определяются по наличию последовательности GU на 5'-конце и последовательности AG на 3'-конце. 3'-конец может быть также определен по цепочке полипиримидинов различной длины, называемой полипиримидиновым трактом (ППТ). ППТ выполняют функцию связывания факторов с 3'-концом, а также, возможно, связывания факторов с последовательностью точки ветвления (ПТВ). ПТВ, в свою очередь, содержит много аденозина, требуемого для начала сплайсинга.
Группа менее распространенных мяРНП -- U11, U12, U4atac и U6atac -- входит вместе с U5 в состав малой сплайсосомы, выполняющей сплайсинг редких интронов пре-мРНК, называемых интронами типа U12.
Рис. 1. Один из белков сплайсосомы, присоединённый к участку РНК.
Разные домены белка выделены различными цветами, РНК - вертикальная молекула в правой части рисунка.
Альтернативный сплайсинг, во время которого происходит рекомбинация экзонов -- главный источник генетического многообразия у эукариот. Переменному сращиванию обычно приписывалась роль причины относительно малого количества генов в геноме человека. Оценка их количества на протяжении многих лет менялась, максимальное же количество прогнозировалось на уровне 100 тысяч. Однако благодаря проекту Human Genome Project (англ. «Геном человека») стало известно, что их количество близко к 30 000. При этом, однако, считается, что почти каждый человеческий ген имеет не менее двух изоформ.
Сущность альтернативного сплайсинга заключается в том, что в результате посттранскрипционного процессинга предшественника мРНК, из которого в результате сплайсинга вырезаются некодирующие последовательности нуклеотидов, соответствующие интронам транскрибированного гена, образуются зрелые мРНК, различающиеся по своей первичной структуре. В результате в разных клетках из одного и того же предшественника получаются молекулы зрелых мРНК, которые объединяют в различных комбинациях последовательности экзонов транскрибированного гена.
Впервые неоднозначность сплайсинга была обнаружена у аденовирусов - крупных вирусов, инфицирующих клетки животных (Ziff E.B., 1980). Геном аденовирусов направляет синтез нескольких очень длинных РНК-транскриптов, каждый из которых содержит нуклеотидные последовательности, кодирующие целый ряд различных белков. Альтернативные пути сплайсинга приводят к тому, что из совершенно одинаковых первичных транскриптов образуются молекулы мРНК разных типов, имеющие одну и ту же 5'-концевую последовательность (5'-кэп), которая, таким образом, инициирует синтез нескольких разных белков. Правило последовательного смыкания донорных и акцепторных интронных контактов не соблюдается. Остается неясным, как осуществляется контроль альтернативного сплайсинга РНК-транскриптов. Альтернативный процессинг РНК, возможно, имеет определенные преимущества, а именно экономичность: повышение информационной емкости генома в этом случае не сопровождается увеличением его размеров.
На рис. 2 представлена схема экзонной структуры гена модулятора cAMP-респонсивного элемента человека (CREM) . Во время сперматогенеза происходит переключение с синтеза репрессоров транскрипции CREMальфа , CREMбета и CREMгамма на образование CREMтау , который содержит две дополнительные последовательности, обогащенные Gln (Q1 и Q2), необходимые для транс-активации транскрипции. Более короткий транскрипт, синтез которого инициируется на промоторе P2, процессируется с образованием зрелых мРНК, которые кодируют группу небольших молекул репрессоров (ICER). Инициация синтеза РНК на промоторе P2 активируется под действием ритмических гормональных сигналов эпифиза мозга.
В результате использования такого механизма одна и та же последовательность нуклеотидов гена может кодировать несколько разных белков. Комбинаторика объединения последовательностей нуклеотидов пре-мРНК в процессе альтернативного сплайсинга может быть очень сложной, поскольку в него вовлекаются интроны и экзоны, а их объединение происходит с использованием различных точек сплайсинга, локализованных в этих последовательностях. Распознавание участков ДНК, в которых находятся точки сплайсинга, участвующие в конкретном акте посттранскрипционного процессинга пре-мРНК, происходит с участием специфических белков в результате белково-нуклеинового взаимодействия.
Рис. 2. Схема формирования активаторов и репрессоров транскрипции, кодируемых геном CREM и образующихся в результате альтернативного сплайсинга.
В верхней части рисунка изображена схема гена CREM, включающая альтернативные промоторы Р1 и P2, кодоны альтернативной инициации и терминации трансляции, а также экзоны, кодирующие различные домены факторов. Внизу представлены комбинации последовательностей экзонов, объединяющихся в зрелые мРНК, которые кодируют разных представителей групп репрессоров и активаторов транскрипции, а также ICER-белков.
Каноническая модель формирования активной области сплайсосомы представляет собой упорядоченный пошаговый процесс соеднения единиц мяРНП на подложке пре-мРНК. Во время первичного распознавания пре-мРНК происходит связывание мяРНП U1 с 5'-стыком пре-мРНК, а также формирование из других белковых факторов фиксационного комплекса или раннего комплекса (Е-комплекса) для млекопитающих. Фиксационный комплекс -- АТФ-независимое образование, удерживающее пре-мРНК для осуществления сплайсинга.
Малый ядерный рибонуклеопротеин U2 связывается с областью ветвления за счет взаимодействия с компонентом Е-комплекса U2АF (вспомогательным фактором мяРНП U2) и, возможно, с U1. В результате АТФ-зависимой реакции U2 образует прочную связь с последовательностью точки ветвления (ПТВ), тем самым формируя комплекс А. Двойная связь между U2 и областью ветвления пре-мРНК вытягивает аденозин из ответвляющейся цепочки. Присутствие же в U2 псевдоуридиновых остатков практически напротив области ветвления приводит к изменению конфигурации связей РНК-РНК во время связывания с U2. Эти изменения структуры, вызванные псевдоуридином, помещает 2'-OH-группу вытянутого аденозина в положение, позволяющее совершить первый шаг сплайсинга.
U4, U5 и U6, соединяющиеся с образованием более крупного тройственного мяРНП, связываются с собираемой сплайсосомой и формируют комплекс В, который после некотороых промежуточных перегруппировок субъединиц превращается в комплекс С -- собственно сплайсосому, которая приступает к катализу сплайсинга.
Неясно, каким образом тройственный мяРНП U4-U5-U6 связывается с комплексом А. Этот процесс может опосредоваться взаимодействием между белками, равно как и взаимодействиями между нуклеотидами мяРНК, входящих в состав U2 и U6.
U5 взаимодействует с последовательностями на 5'- и 3'-концах сплайсингового участка за счет инвариантной петли мяРНК, входящей в его состав. Белковые компоненты U5 взаимодействуют с 3'-регионом сплайсингового участка.
После связывания с тройственным мяРНП и перед началом сплайсинга в сплайсосоме происходит множество изменений конфигурации связей РНК-РНК. Эти изменения продолжаются и в уже начавшей работу сплайсосоме. Многие взаимодействия между РНК являются взаимоисключающими, однако до сих пор неясно, что вызывает эти взаимодействия и благодаря чему соблюдается их порядок.
Страницы: 1, 2, 3
