Alternativno spajanje genov: kako en gen ustvarja različne beljakovine
Alternativno spajanje genov: kako en gen tvori različne beljakovine, vpliv na raznolikost proteomov, bolezni, diagnostiko in možnosti zdravljenja.
Alternativno spajanje omogoča, da ena zaporedja DNK (gen) kodirajo več različnih beljakovin. Temelji na spreminjanju sestave eksonov v sporočilni RNK – torej na tem, kateri deli predznačilne RNA so vključeni v končno, zrelo mRNA.
Kako poteka proces
Med transkripcijo nastane pre-mRNA (predznačilna RNA), ki vsebuje tako eksonske kot intronske sekvence. Med spajanjem RNA izrežejo introne in povežejo eksonske dele. Pri alternativnem spajanju se ti postopki lahko izvedejo na različne načine, tako da iz iste pre-mRNA nastane več različic zrele mRNA, ki se nato prevedejo v različne beljakovine. Tako en gen lahko kodira več beljakovinskih izoform z različno funkcijo, lokalizacijo ali regulacijo.
Mehanizem in regulacija
Spajanje nadzoruje velik ribonukleoproteinski kompleks, imenovan spliceosom, sestavljen iz majhnih jedrnih ribonukleoproteinov (snRNP) in številnih proteinskih dejavnikov. Ključne značilnosti spajanja so konzervirane sekvence na meji ekson–intron (5' in 3' splice site), >branch point< in polipirimidinski trakt.
Regulatorni elementi vključujejo:
- spliceosome-snRNP kompleks in splošne splicing faktorje,
- splicing aktivatorje (npr. proteini SR), ki spodbujajo uporabo določenega mesta spajanja,
- splicing represorje (npr. hnRNP proteini), ki zmanjšujejo njegovo uporabo,
- cis-regulatorne sekvence v eksonih ali intronih (exonic/intronic splicing enhancers oziroma silencers).
Vrste alternativnega spajanja
Nekaj najpogostejših načinov, kako lahko nastanejo različne mRNA iz iste pre-mRNA:
- Preskok eksona (exon skipping) – ekson je vključen v nekaterih izoformah, v drugih pa izpuščen.
- Vključitev alternativnega 5' ali 3' splice mesta – premik meje med eksonom in intronom, kar spremeni dolžino eksona.
- Mutualno izključujoči eksoni – izbirno vključitev enega izmed dveh (ali več) eksonov, ki se med seboj izključujejo.
- Retencija introna – intron ostane v zreli mRNA, kar lahko vpliva na prevajanje ali stabilnost.
Pomen za organizme in raznolikost beljakovin
Alternativno spajanje je pri evkariontih običajno in znatno poveča proteomsko raznolikost brez povečanja števila genov. Pri ljudeh je ocenjena frekvenca alternativnega spajanja zelo visoka – približno 95 % multieksonskih genov je alternativno spajkanih. Primeri vpliva: z vključitvijo ali izključitvijo domene beljakovine se lahko spremenita njena vezavna sposobnost, celična lokacija ali aktivnosti (npr. regulacija signalnih poti).
Vpliv na zdravje in bolezen
Motnje v spajanju lahko povzročijo nenormalne ali nefukcionalne izoforme in so vzrok številnih genetskih bolezni. Nekateri primeri:
- spremembe v splicing signalih so lahko vzrok dednih bolezni,
- aberrantne variante spajanja lahko prispevajo k razvoju raka z nastankom onkogenskih izoform,
- primer praktične uporabe terapije: ciljane antisense oligonukleotide lahko preusmerijo spajanje in so uporabljene pri zdravljenju nekaterih bolezni (npr. spinalne mišične atrofije).
Celice imajo mehanizme za odpravo nefukcionalnih izoform: večina mRNA z zgodnjim stop kodonom se odstrani z mehanizmi posttranskripcijske kontrole kakovosti, kot je nonsense-mediated decay (NMD), poleg tega pa v jedru delujejo tudi razgradni sistemi (npr. nuklearni eksosom) ter citosolni poti za razgradnjo mRNA.
Preiskave in nove tehnologije
Alternativno spajanje se danes preučuje predvsem z visokozmogljivim sekvenciranjem RNA (RNA-seq), kar omogoča kvantifikacijo izoform in odkrivanje novih dogodkov spajanja. Bioinformatična orodja in baze podatkov pomagajo pri analizah ter povezovanju izoform s funkcijo in boleznijo.
Zaključek
Alternativno spajanje je ključni molekularni mehanizem, ki povečuje funkcionalno kompleksnost organizmov. Razumevanje regulacije spajanja in posledic njegovih motenj je pomembno tako za osnovne biološke raziskave kot za razvoj diagnostičnih in terapevtskih pristopov.
Pri alternativnem spajanju nastaneta dve izoformi proteina.
Vir raznolikosti
Alternativno spajanje (ponovna kombinacija različnih eksonov) je glavni vir genetske raznolikosti pri evkariontih. En gen Drosophile (DSCAM) se lahko alternativno spoji v 38.000 različnih mRNA.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je alternativno spajanje?
O: Alternativno spajanje je proces, pri katerem se eksoni predznačilne RNA, ki nastanejo pri transkripciji, med spajanjem RNA povežejo na različne načine, zaradi česar nastanejo različne zrele sporočilne RNA istega gena, ki se prevedejo v različne beljakovine.
V: Kako pogosto je alternativno cepljenje?
O: Alternativno spajanje je pri evkariontih običajno in močno poveča raznolikost beljakovin, ki jih lahko kodira genom. Pri ljudeh je približno 95 % multieksonskih genov alternativno spajkanih.
V: Katere so nekatere vrste alternativnega spajanja?
O: Najpogostejša vrsta alternativnega spajanja je preskok eksona, pri katerem se lahko ekson vključi ali izpusti iz mRNA, odvisno od določenih pogojev ali tkiv. Obstajajo tudi druge vrste, kot so aktivatorji in represorji spajanja, ki spodbujajo oziroma zmanjšujejo uporabo določenih mest, odkrivajo pa se tudi nove vrste.
V: Kako nepravilne razlike v alternativnem spajanju vplivajo na zdravje?
O: Nenormalne spremembe v alternativnem spajanju lahko povzročijo genetske motnje in prispevajo k razvoju raka. Z nedelujočimi izdelki, ki nastanejo pri tem postopku, se običajno ukvarjajo posttranskripcijski nadzor kakovosti, kjer jih razrežejo encimi.
V: Katere vrste beljakovin lahko nastanejo z alternativnim spajanjem?
O: Z alternativnim spajanjem lahko en gen kodira več beljakovin, kar poveča raznolikost beljakovin, ki jih lahko kodira genom.
V: Kaj se zgodi, če zaradi alternativnega spajanja nastanejo nedelujoči izdelki?
O: Če so zaradi alternativnega spajkanja nastali nedelujoči izdelki, jih običajno obravnava posttranskripcijski nadzor kakovosti, pri katerem jih razrežejo encimi.
Iskati