Spajanje RNK: definicija in mehanizem (eksoni, introni, spliceosomi)

Spajanje RNK je faza transkripcije genov, pri kateri nastane zrela Poslanska RNK (mRNA), ki prenaša genetsko informacijo iz DNK v sintezo beljakovin. Nastajanje mRNA poteka v več korakih: najprej se transkribira predhodna (pre-mRNA), nato pa ta pre-mRNA dozori z izrezovanjem nekodnih odsekov in združevanjem kodnih odsekov, kar imenujemo spajanje.

V prvi fazi se vsak gen prepiše v pre-mRNA. Nato se eksoni v pre-mRNA združijo s spajanjem, ki poteka v spliceosomih. To je potrebno, ker je gen pogosto razdeljen na kodne dele, imenovane eksoni, in nekodne dele, imenovane introni. Spajanje odstrani introni in združi eksoni, s čimer nastane končna mRNA. Ta messenger RNA se nato s prevajanjem uporabi za proizvodnjo pravilne beljakovine.

Mehanizem spajanja

Spajanje je kemijsko izvedeno v dveh zaporednih transesterifikacijskih reakcijah:

Najprej 2'‑OH skupina konzerviranega branch point adenina napade fosfodiestersko vez na 5' koncu introna (splice 5' mesto), kar oblikuje lasso (lariat) introna.
Nato 3'‑OH konca izhajajočega eksona napade 3' splice mesto introna, kar sprosti lariat in poveže dve sosednji eksoni.

Za pravilno prepoznavo mest spajanja so v pre-mRNA pomembne konzervirane sekvence: 5' splice site običajno začne z GU (donor), 3' splice site običajno konča z AG (acceptor), vmes je polipirimidinski trakt in konzerviran branch point z adeninom. Te značilne sekvence omogočajo pravilno delovanje spliceosoma.

Komponente spliceosoma

Spliceosom je velik ribonukleoproteinski kompleks, sestavljen iz več majhnih jedrnih ribonukleoproteinov (snRNP): U1, U2, U4, U5 in U6 ter številnih dodatnih proteinskih dejavnikov. Te snRNP prepoznajo splice mesta, posredujejo sestavljanje kompleksa in katalizirajo transesterifikacijske reakcije. Spajanje pogosto poteka ko‑transkripcijsko, torej med samim potekom transkripcije, in je tesno povezano z delovanjem RNA polimeraze II.

Alternativno spajanje in raznolikost beljakovin

Alternativno spajanje omogoča, da iz istega predhodka pre-mRNA nastane več različnih zrelih mRNA in s tem različne proteinske izoforme. Pogoste vrste alternativnega spajanja vključujejo:

izpuščanje eksona (exon skipping),
izbira alternativnih 5' ali 3' splice mest,
mutualno ekskluzivne eksonske izbire,
zadrževanje introna (intron retention).

V človeških celicah alternativno spajanje pojavlja pri velikem delu genov in je pomemben vir funkcionalne raznolikosti, regulacije tkivno specifične izražnosti in razvoja.

Regulacija spajanja

Spajanje nadzorujejo številni proteini vezani na RNA, med katerimi so SR proteini (serin/arginin bogati) in hnRNP (heterogeni jedrni RNP). Ti proteini vežejo lahko enhancer ali silencer sekvence v eksonih ali intronih in povečajo ali zmanjšajo prepoznavanje določenih splice mest. Regulacija je odvisna tudi od hitrosti transkripcije, modifikacij histonov in celičnega stanja.

Samospajanje intronov

Poleg spliceosomskega spajanja obstajajo tudi introni, ki so sposobni samospajanja (npr. skupini I in II introni, pogosto v organelnih ali prokariotnih RNA). Skupina II intronov je verjetno evolucijski predhodnik današnjega spliceosoma.

Biološki in klinični pomen

Napake pri spajanju lahko povzročijo nepravilne mRNA in s tem nefunkcionalne ali škodljive beljakovine. Mutacije na splice mestih ali v regulatornih elementih so vzrok številnih bolezni, med drugim:

nekatera oblika beta‑talasemije (mutacije povzročijo nepravilno spajanje beta‑globinskih predhodkov),
spinalna mišična atrofija (SMA) — bolezni, kjer terapije, kot je splice‑switching z antisense oligonukleotidi (npr. nusinersen), spreminjajo spajanje za izboljšanje izhoda,
številne oblike raka, kjer so splicing faktorji ali splice mesta mutirani ali napačno regulirani.

Terapije, ki ciljajo spajanje, vključujejo antisense oligonukleotide in majhne molekule, namenjene modulaciji spajanja kot način za popravljanje genetskih napak.

Zaključek

Poslanska RNK nastane iz predhodne pre-mRNA z odstranjenjem intronov in združitvijo eksonov v procesu, ki ga izvajajo spliceosomi. Spajanje je ključni korak v pretvorbi genske informacije iz DNK v funkcionalne beljakovine, hkrati pa omogoča veliko stopnjo regulacije in raznolikosti s pomočjo alternativnega spajanja. Razumevanje mehanizmov in regulacije spajanja je pomembno tako za osnovno molekularno biologijo kot za razvoj zdravil proti bolezenskim stanjem, povezanih z napakami spajanja.

Preprost prikaz eksonov in intronov v pre-mRNA ter nastanek zrele mRNA s spajanjem. UTR so nekodirajoči deli eksonov na koncu mRNA.

Alternativno spajanje

V številnih primerih se pri postopku cepljenja s spreminjanjem sestave eksonov v isti sporočilni RNK ustvari vrsta edinstvenih beljakovin. Ta pojav se imenuje alternativno spajanje. Do alternativnega spajkanja lahko pride na več načinov. Eksoni se lahko podaljšajo ali preskočijo, introni pa se lahko ohranijo.

Evkarionti proti prokariontom

Spajanje se pojavlja v vseh kraljestvih ali področjih življenja, vendar se obseg in vrste spajanja med glavnimi delitvami lahko zelo razlikujejo. Evkarionti cepijo številne sporočilne RNA, ki kodirajo beljakovine, in nekatere nekodirajoče RNA. Prokarionti pa se cepijo le redko. Druga pomembna razlika je v tem, da prokarionti v celoti nimajo spličosomov.

Odkrivanje

Phillip Sharp in Richard Roberts sta leta 1993 prejela Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za odkritje intronov in procesa spajanja.

Leta 1977 je delo v laboratorijih Sharp in Roberts pokazalo, da so geni višjih organizmov "razdeljeni" ali prisotni v več različnih segmentih vzdolž molekule DNK.

Kodirajoče regije gena so ločene z nekodirajočo DNK, ki ne sodeluje pri izražanju beljakovin. Nekodirajoče regije, introni, se izrežejo iz predhodnih mRNA v procesu, ki se imenuje "spajanje". Ugotovljeno je bilo, da je razcepljena struktura gena skupna večini evkariontskih genov.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je spajanje RNK?

O: Spajanje RNA je postopek odstranjevanja intronov in združevanja eksonov v pre-mRNA, da nastane končna mRNA, ki se uporablja za proizvodnjo beljakovin.

V: Kakšen je namen cepljenja RNK?

O: Namen cepljenja RNK je odstraniti nekodirajoče dele, imenovane introni, in združiti kodne dele, imenovane eksoni, da se ustvari končna mRNA, ki se lahko uporablja za proizvodnjo beljakovin.

V: Kaj je messenger RNA?

O: Poslanska RNK (mRNA) je vrsta RNK, ki prenaša genetsko kodo iz DNK v beljakovine.

V: Na koliko stopnjah poteka izgradnja sporočilne RNA?

O: Pri izgradnji sporočilne RNK sta dve stopnji.

V: Kaj se zgodi v prvi fazi izgradnje sporočilne RNK?

O: V prvi fazi izgradnje sporočilne RNK se vsak gen prevede v pre-mRNA.

V: Kaj so spliceosomi?

O: Spliceosomi so celični stroji, ki izvajajo spajanje RNA z odstranjevanjem intronov in združevanjem eksonov v pre-mRNA.

V: Kako iz sporočilne RNK nastane pravilna beljakovina?

O: Pravilna beljakovina nastane iz sporočilne RNK s postopkom prevajanja, pri katerem se genska koda v mRNA uporabi za sestavo aminokislin v beljakovino.