Spleising (biologi)

Oversikt over prosessene for eukaryotisk genuttrykk: På vei fra genet - kodet på DNA - til det ferdige proteinet, spiller RNA en avgjørende rolle. Den fungerer som en informasjonsbærer mellom DNA og ribosom , som endres i flere trinn
Skjematisk fremstilling av spleisen.
Skjematisk fremstilling for alternativ spleising.

Ved skjøting eller spleising ( engelsk spleise , connect '' holde sammen ') er et viktig skritt for videre behandling ( foredling av) ribonukleinsyre betegnet (RNA) som i cellekjernen av eukaryotisk finner sted, og hvor fra det pre-mRNA i modent mRNA oppstår.

Pre-mRNA opprinnelig dannet i transkripsjonen inneholder fortsatt introner og eksoner . Spleising fjerner intronene og kobler de tilstøtende eksonene for å danne det ferdige mRNA.

Skjøting skjer sammen med polyadenylering (tailing) av 3'-enden etter transkripsjon, så det er en post-transkripsjonell prosess. I motsetning til dette er det å kopiere 5' -enden en ko-transkripsjonell prosess.

Historien om oppdagelsen

Tidlige genetiske studier kunne vise at genet , mRNA og protein er colinear, noe som var tydelig fra direkte transkripsjon eller oversettelse. Dette kan observeres veldig bra i prokaryote organismer, der transkripsjon og translasjon ikke er skilt fra hverandre ved å fordele cellen. Mens RNA-polymerase fremdeles syntetiserer mRNA på DNA, kan ribosomer allerede binde den begynnende kjeden og begynne å oversette, noe som fører til dannelsen av såkalte polysomer .

I eukaryoter er imidlertid ikke en kopling av transkripsjon og oversettelse mulig fordi en kjernemembran romlig skiller de to prosessene.

I tillegg har Chow et al. og Berget et al. I veldig beskrivende elektronmikroskopiske undersøkelser av RNA: DNA-hybrider ved bruk av eksemplet på adenovirus viser at mRNA i eukaryoter åpenbart må være gjenstand for ytterligere behandling, siden det mangler indre områder som finnes i DNA. Modning kan vises indirekte basert på den korte halveringstiden til primære transkripsjoner, de såkalte heterogene nukleare RNA (hnRNA), sammenlignet med cytoplasmatiske RNA.

På dette grunnlaget utviklet Richard John Roberts og Phillip A. Sharp konseptet splittede gener og spleising før mRNA, som ble tildelt Nobelprisen for medisin i 1993. Fundamentalt nytt var at området av et eukaryotisk gen på DNA gjentatte ganger blir avbrutt av sekvenser som ikke blir oversatt til aminosyrer i det senere proteinet. Disse såkalte mellomliggende sekvensene , også kjent som introner , kuttes ut og nedbrytes fra det primære transkriptet, pre-mRNA (forløper-mRNA), i en prosess kjent som pre-mRNA-spleising . De to tilstøtende proteinkodende sekvenssegmentene, eller eksoner for uttrykte sekvenser for kort , er koblet til hverandre samtidig .

Et gen kan inneholde opptil over 60 introner med lengder mellom 35 og 100.000 nukleotider. I tillegg forekommer spleising ikke bare i nevnte eukaryoter, men også i mitokondrier , archaea og noen av de virale RNAene som er nevnt ovenfor.

Autokatalytisk skjøting (selvspleising)

Noen RNA kan fjerne introner uten hjelp fra et stort spleisosom (se nedenfor). De har selv den kjemiske aktiviteten for dette, dvs. Det vil si at de er ribozymer som bare i noen tilfeller (gruppe II-introner) trenger hjelp fra proteiner for riktig folding.

I 1981 T. Cech et al. bevis for forløperen til 26S rRNA fra Tetrahymena thermophila at ingen proteinkomponenter er nødvendige for prosessering av en intron som er omtrent 400 nukleotider lang , men at aktiviteten kommer fra selve RNA . Man snakker derfor om autokatalytisk spleising eller selvspleising . For denne oppdagelsen av det første ribozymet og dermed den katalytiske aktiviteten til RNA, som førte til postuleringen av en RNA-verden i den meget tidlige fasen av livet, ble Thomas R. Cech og Sidney Altman tildelt Nobelprisen i kjemi i 1989. Senere studier kunne vise at selvspleisende introner forekommer i mange andre organismer. I henhold til reaksjonsmekanismene og de konserverte sekvenselementene til RNAene kan det skilles mellom to typer selvspleising, den såkalte gruppe I og gruppe II introner. Selv om det definitivt kunne vises at RNA har den katalytiske aktiviteten, ser det ut til at proteiner i tillegg er involvert i reaksjonene til begge grupper av introner in vivo , noe som sannsynligvis fremmer dannelsen av den aktive strukturen til RNA. Siden det totale antallet fosfodiesterbindinger alltid er det samme i reaksjonene som er beskrevet nedenfor , fordi de er transesterifiseringer , er ingen energiforsyende kofaktorer nødvendige.

Gruppe I-introner forekommer i pre-rRNA av enkle eukaryoter som eukaryoter. B. det allerede nevnte ciliat T. thermophila , så vel som i noen pre-mRNAer av celleorganeller som mitokondrier og kloroplaster . Den fjerning av intronet finner sted i en to-trinns mekanisme, hvorved et guanosin , som erviktig som en kofaktor for reaksjonenog som er brakt i riktig stilling ved strukturen til RNA, førstgjennomføreren nukleofilt angrep på den 5'- skjøteside . Den nucleofuge gruppen av denne reaksjon, 3'-hydroksylgruppen i den 5 'exon, i sin tur angriper 3'-spleisesetet som en nukleofil forbindelse, som et resultat av hvilket de to exoner er knyttet til hverandre og frigjør den intron. I påfølgende reaksjoner lukkes intronen til slutt i en ring. Stereokjemiske studier på kirale substrater antyder at et enkelt katalytisk senter katalysererbegge partielle reaksjoner av skjøting i form av en frem og tilbake reaksjon.

Gruppe II-introner , derimot, finnes i pre-mRNAer av mitokondriene av gjær og andre sopp og i noen RNA-forløpere til kloroplastene til noen encellede eukaryoter som Chlamydomonas . En guanosin-kofaktor er ikke nødvendig her; snareregjørRNA-strukturen detmulig for et adenosin 7 eller 8 nukleotider oppstrøms 3'-spleisningsstedet åangripe 5'-spleisestedet nukleofilt med sin 2'-hydroksygruppe. Dette fører til dannelsen av en uvanlig 2 '5' fosfodiesterbinding og dermed til dannelsen av en lassolignende struktur av intronen, den såkalte lariaten . I en andre reaksjon, lik den for gruppe I-intronene, angriper 5'-skjøtesiden endelig 3'-skjøtesstedet nukleofilt, noe som fører til sammenkobling av begge eksoner og frigjøring av intronet.

Spliceosomal prosessering av mRNAs (se nedenfor) har en reaksjonsmekanisme som er identisk med gruppe II-introner, noe som har ført til en rekke spekulasjoner om hvorvidt begge prosessene utviklet seg fra hverandre (se nedenfor for hypnosen "intron early"), for eksempel ved fragmentering av en gruppe II-intron, eller om det er konvergent utvikling forårsaket av katalytisk optimalisering av den samme kjemiske reaksjonen.

Proteinsplitting er definert analogt med spleising av RNA .

Spleising av tRNA

Den enzymatiske spleisen av tRNAs finnes i både archaea og eukaryoter , mens introner i bakterier blir behandlet i tRNAs i henhold til en autokatalytisk mekanisme som ble beskrevet i forrige avsnitt. Intronene i genene som koder for tRNAene finnes hovedsakelig i antikodonsløyfen direkte 3 'av antikodonet - sjeldnere i dihydrouracil-sløyfen - og er 14 til 60 baser lange. I tilfelle av enzymatisk spleising, i motsetning til spleising av pre-mRNA, blir de ikke gjenkjent av deres sekvens, men av en høyere nivå struktur av det totale molekylet (for eksempel bulge-helix-bulge-motiv - BHB- motiv - i archaea) og fjernet i tre trinn. Pre-tRNA blir først kuttet to ganger av en endonuklease som frigjør intron og to såkalte tRNA-halvmolekyler. Det resulterende sykliske 2 '3' fosfat av 5'-halvmolekylet hydrolyseres deretter til en 2'-fosfat- og en 3'OH-gruppe, mens 5'OH-gruppen i 3'-halvmolekylet er fosforyleres med GTP- forbruk. Dette muliggjør ligering av en RNA- ligase med ATP-hydrolyse. Til slutt, i det siste trinnet, fjernes 2'-fosfatet, som, uvanlig, skjer med inntak av NAD og frigjøring av nikotinamid. Noen mRNAer blir også behandlet i henhold til en lignende mekanisme, som faktisk er veldig atypisk for dem, fra to endonukleolytiske spaltinger med påfølgende ligering av en tRNA-ligase.

Spleising i spleisosomen

I de fleste tilfeller skjer skjøting i et stort kompleks av RNA og proteiner, det såkalte spliceosome , som katalyserer reaksjonen i to påfølgende transesterifiseringer . Flertallet av intronene fjernes på denne måten. Totalt antall bindinger forblir det samme under reaksjonen, energi er bare nødvendig for konstruksjon og omlegging av maskineriet for katalyse (spliceosome). De to individuelle reaksjonene skiller seg ikke kjemisk fra hverandre, bare posisjonene til gruppene som er involvert i pre-mRNA er forskjellige. I begge reaksjonene foregår en nukleofil substitusjon (S N2 ) på et fosfat , nukleofilen er i hvert tilfelle en hydroksylgruppe av en ribose .

I det første trinnet angriper oksygenatomet i 2'-OH-gruppen i et adenosin fra den såkalte "grenpunktsekvensen" (BPS) et fosforatom med en fosfodiesterbinding i 5'-spleisningsstedet. Dette fører til frigjøring av 5'-eksonen og til sirkulisering av intronet (kalt "lariat" på grunn av den lassolignende strukturen). I det andre trinnet angriper oksygenet i den frigjorte 3'-OH-gruppen i 5'-exon 3'-spleisningsstedet, noe som fører til forbindelsen mellom de to eksonene og frigjøringen av intron lariat.

Spleisemønsteret kan variere på grunn av stofftype og miljøpåvirkning. Man snakker om alternativ spleising , et viktig grunnlag for et stort mangfold av proteiner. Spleising foregår med transkripsjon, noe som betyr at introner allerede er fjernet mens polymerasen leser genet.

Andre viktige prosesser som oppstår under modning av et pre-mRNA til mRNA er

  • Capping : Modifisering av 5'- enden av RNA med en 7-metylguanosin for bedre stabilitet av RNA og viktig for translasjon på ribosomet .
  • Tailing : Etter å ha nådd slutten av genet, kuttes RNA rundt 15 nukleotider i henhold til en spesiell basesekvens ( AAUAAA ) og får en poly-A-hale som er rundt 150-200 nukleotider lang . Også her spiller et stort antall proteiner en rolle (CPSF-kompleks, Cstf-kompleks, CFI, CFII, PABP2, PAP osv.), Som i tillegg til den nevnte A2UA3-sekvensen binder andre elementer av RNA og regulerer behandlingen . En avslutning av transkripsjonen - dessverre en veldig lite forstått prosess i eukaryoter - finner sted litt senere nedstrøms polyadenyleringsstedet, blant annet. gjennom TREX-komplekset.

Til slutt er det modne mRNA gjennom kjerneporene (kjerneporekompleks, NPC) fra kjernen til cytosolen eksportert der den i løpet av oversettelsen brukes til proteiner for å syntetisere.

Spleising og sykdommer

Spleising spiller også en viktig rolle i noen kliniske bilder. Mutasjoner i introner har ingen direkte effekt på sekvensen til proteinet kodet av et gen. I noen tilfeller påvirker imidlertid mutasjoner sekvenser som er viktige for skjøting og dermed fører til feil prosessering av pre-mRNA. De resulterende RNA-ene koder for ikke-funksjonelle eller til og med skadelige proteiner og fører dermed til arvelige sykdommer .

Et klassisk eksempel er noen former for β- thalassemia , en arvelig hemoglobinopati der en punktmutasjon endrer 5'-spleisestedet til intron 1 i HBB- genet og dermed gjør det ubrukelig. Som et resultat gjenkjennes nærliggende “kryptiske” spleisningssteder, og spleisosomet genererer forkortede eller forlengede mRNAer som blir oversatt til inaktive proteiner . En annen godt studert mutasjon i intron 2 av samme gen fører til retensjon av en kort intronsekvens i det endelige mRNA. I begge tilfeller er det en sterkt redusert hemoglobinsyntese av allelen i de erytrocytiske forløperne. Hvis begge alleler er påvirket av en slik mutasjon, oppstår det kliniske bildet av β-thalassemia major , som blant annet. fører til betydelig anemi og et konstant behov for transfusjoner .

Andre saker er f.eks. B. Ehlers-Danlos syndrom (EDS) type II (mutasjon av et forgreningspunkt i COL5A1- genet ) og spinal muskelatrofi (mutasjon av en skjøteforsterker / lyddemper i SMN 1- genet ).

"RNA-fabrikken"

De siste årene har det blitt stadig tydeligere at transkripsjon , prosessering av RNA (dvs. spleising, capping og tailing ), RNA-eksport til cytoplasma , RNA-lokalisering, translasjon og RNA-nedbrytning påvirker og regulerer hverandre. Behandlingen av pre-mRNA foregår under transkripsjonen - man snakker om transkripsjonell RNA-prosessering - og de forskjellige maskinene tar kontakt med hverandre. Av denne grunn ble begrepet "RNA-fabrikk" nylig laget for å illustrere dette. Spleisen kan også påvirke prosessene som foregår i cytoplasmaet på en romlig separert måte. Et proteinkompleks som avsettes på det ferdige mRNA av spliceosome (exon junction complex, EJC) muliggjør effektiv eksport fra cellekjernen og overfører i tillegg informasjon som muliggjør senere kvalitetskontroll av RNA under translasjon ( tullmediert mRNA-forfall , [ NMD]). En annen implikasjon som oppstår av dette er: et komplett pre-mRNA (som vist i figuren ovenfor) forekommer faktisk ikke i den levende cellen, fordi introner fjernes under transkripsjon, som nettopp beskrevet.

Spleising og evolusjon

Mange eksoner koder for en funksjonell del av et protein som bretter seg autonomt, et såkalt domene. Dette er grunnlaget for teorien om at en modulstruktur av et gen fra eksoner som koder for slike proteindomener, fører med seg muligheten for å bruke et domene som en gang er “oppfunnet” på en evolusjonær måte ved å kombinere det med andre. Ved å bare rekombinere eksoner i henhold til et modulbasert prinsipp, kan et stort utvalg av proteiner med et bredt utvalg av funksjoner og egenskaper opprettes, som er kjent som exon-blanding . Et klassisk eksempel på dette er genet for proteinet fibronektin, som på den ene siden spiller en rolle i celleheft og på den andre siden også en rolle i cellevandring, spredning og differensiering. Proteinet består hovedsakelig av gjentakelser av tre proteindomene, som også kan finnes i plasminogenaktivatorproteinet (type I), i proteiner av blodkoagulasjon (type II), celleoverflatereseptorer og proteiner i den ekstracellulære matrisen (type III).

I tillegg er det antagelser om at introner allerede kunne vært til stede i den siste felles, universelle forfedren ( siste universelle felles forfedre , en organisme som de tre kongedømmene bakterier, Archaea og Eukaryoter utviklet seg fra). Denne tidlige hypotesen om intron støttes av oppdagelsen av forskjellige introner i genomene til mitokondrier, archaea og virus. I følge denne teorien må bakterier ha mistet intronene, noe som kan forklares ved å optimalisere genomet for rask spredning og korte generasjonstider. I kontrast ser det i det minste ut til at noen av intronene ikke samsvarer med denne teorien, ettersom de antas å ha utviklet seg fra andre forløpssekvenser. Følgelig kan det være at det ikke har vært en "primordial intron" (som alle dagens introner har oppstått fra), men heller flere sekvenser som forfedre for intronene som er kjent i dag. Dermed ville introner ikke være monofyletiske , men ville mest sannsynlig tilsvare en polyfyletisk gruppe. Dette forholdet er formulert i intron-sen hypotesen.

Se også

litteratur

weblenker

Individuelle bevis

  1. ↑ Louise T.Chow, James M.Roberts, James B.Lewis, Thomas R.Broker (1977): "En fantastisk sekvensordning i 5'-endene av adenovirus 2 messenger RNA." Celle. 12 (1), 1-8. doi: 10.1016 / 0092-8674 (77) 90180-5
  2. ↑ Susan M. Berget, Claire Moore, Phillip A. Sharp (1977): "Spliced ​​segmenter at the 5'-terminal of adenovirus 2 late mRNA". Proceedings of the National Academy of Sciences i De forente stater. 74 (8), 3171-3175. doi: 10.1073 / pnas.74.8.3171
  3. ^ "Nobelpris i medisin, 1993" Offisiell nettside til Nobelprisutvalget. Hentet 28. mai 2021.
  4. ^ "Nobelpris i kjemi, 1989" Offisiell nettside til Nobelprisutvalget. Hentet 18. juni 2010.
  5. ↑ Sebastian M. Fica, Nicole Tuttle, Thaddeus Novak, Nan-Sheng Li, Jun Lu: RNA katalyserer kjernefysisk pre-mRNA-spleising . I: Natur . teip 503 , nr. 7475 , 14. november 2013, ISSN  0028-0836 , s. 229–234 , doi : 10.1038 / nature12734 , PMID 24196718 , PMC 4666680 (gratis fulltekst) - ( nature.com [åpnet 5. mai 2016]).
  6. ↑ Raffaella Origa: Beta Thalassemia . I: GeneReviews® . University of Washington, Seattle, Seattle (WA) 1993, PMID 20301599 ( nih.gov [åpnet 5. april 2020]).
  7. ↑ Antonio Cao, Renzo Galanello: beta-talassemi . I: Genetikk i medisin . teip 12 , nei. 2 , februar 2010, ISSN  1530-0366 , s. 61–76 , doi : 10.1097 / GIM.0b013e3181cd68ed ( nature.com [åpnet 5. april 2020]).