Splicing

Technology

12 hours ago

Author

Splicing je proces úpravy genetické informace v DNA molekule. Důležitým prvkem tohoto procesu je odstranění intronů, které jsou nepotřebné a nekódují žádné proteiny, a spojení exónů, které obsahují genetickou informaci pro tvorbu proteinů. Splicing je klíčovým krokem při výrobě uspořádaných mRNA molekul, které jsou následně translací přeloženy na proteiny. Tento proces je regulován specifickými sekvencemi v intronech a exonech, které umožňují správné rozříznutí a spojení částí DNA. Poruchy v procesu splicingu mohou vést k genetickým chorobám, jako je například spinální svalová atrofie. Splicing je tedy důležitým a komplexním biologickým procesem, který umožňuje efektivní využití genetické informace v DNA molekule.

Exony a introny v pre-mRNA a exony v mRNA po sestřihu. Splicing (česky sestřih) je úprava pre-mRNA, která vznikla transkripcí (česky přepis) z DNA. Sestřih je tedy jednou z posttranskripčních modifikací mRNA a dochází k němu v jádru buněk eukaryotních organismů. Sestřih pre-mRNA na mRNA je mnohem delší proces než přepis DNA do pre-mRNA. Sestřih trvá asi hodinu a půl, přepis trvá několik minut. Sestřih je jedním z procesů genové exprese. Přehled procesů exprese eukaryotického genu. RNA a její sestřih hraje rozhodující roli na cestě od genu, který je zakódovaný v DNA, k hotové bílkovině (proteinu). RNA slouží jako nosič informací mezi DNA a bílkovinou. DNA je tvořena geny a ty jsou tvořeny sekvencí střídajících se exonů a intronů. Exony (kódující části) nesou informace ke stavbě bílkovin a introny (nekódující části) žádnou takovou informaci nenesou. Při přepisu z DNA na pre-mRNA jsou zachovány sekvence exonů i intronů. Tato počáteční pre-mRNA pak prochází procesem sestřihu, při kterém jsou introny odstraněny a vzniká zralá mRNA, která je šablonou pro tvorbu bílkovin.

Sestřih si lze představit jako filmový střih, který selektivně vystřihne irelevantní nebo nesprávný materiál (ekvivalent intronů) z původního filmu a pošle vyčištěnou verzi k finálnímu zpracování (ekvivalent exonu).

Sestřih a následné spojování je katalyzováno sadou ribonukleoproteinových komplexů souhrnně nazývaných spliceozom. Ten je tvořen snRNP částicemi, tedy molekulami snRNA a různými proteiny, které mají funkci katalyzátoru (ribozym).

Sestřih a existence intronů je základem pro vysvětlení vytváření nových genů během evoluce. Díky sestřihu jsou geny modulárnější a to umožňuje vytvářet nové kombinace exonů. +more Druhou důležitou vlastností intronů je možnost, že do nich mohou být vloženy nové exony, aniž by byla narušena funkce starého genu.

Historie

Genová regulace, jehož součástí je sestřih, byla nejprve studována v jednoduchých bakteriálních systémech. Většina bakteriálních transkriptů RNA však nepodléhá sestřihu a jsou přímo kódovány DNA. +more * V roce 1977 vědci u adenovirů, které infikují a replikují se v savčích buňkách, identifikovali řadu molekul RNA, které nazvali „mozaiky“. Tyto mozaiky obsahovaly všechny sekvence ze zralých RNA a také části, které se začaly nazývat intervenující sekvence neboli introny. * Později byly introny nalezeny v mnoha dalších virových a eukaryotických genech, včetně genů pro hemoglobin a imunoglobulin. * Sestřih RNA transkriptů byl poté pozorován v několika in vitro systémech odvozených z eukaryotických buněk, včetně odstranění intronů z transferové RNA v kvasinkových bezbuněčných extraktech. * Tato pozorování potvrdila hypotézu, že sestřih počátečních transkriptů poskytuje zralou mRNA.

Mechanismus sestřihu

Exony a introny v pre-mRNA. +more Intron obsahuje sekvence bází, z nichž pro sestřih jsou důležité sekvence 1-AG (adenin a guanin), 2-pyrimidinové báze, 3-A (adenin) a 4-GU (guanin a uracil) Geny (hlavně geny kódující bílkoviny) obsažené v DNA jsou tvořeny sekvencí střídajících se exonů a intronů. Exony (kódující části) nesou informace ke stavbě bílkovin a introny (nekódující části) žádnou takovou informaci nenesou. Při přepisu z DNA na pre-mRNA jsou zachovány sekvence exonů Dva kroky při sestřihu z pre-mRNA na mRNA i intronů. Tato počáteční pre-mRNA pak prochází procesem sestřihu, při kterém jsou introny odstraněny. Zralá mRNA, skládající se pouze z exonů, je pak exportována do cytoplazmy a následně do ribozomu, aby se stala šablonou pro tvorbu bílkovin.

Biochemický mechanismus, kterým k sestřihu dochází, byl studován v řadě systémů a nyní je poměrně dobře znám. Introny jsou odstraněny z primárních transkriptů štěpením v sekvencích nazývaných místa sestřihu. +more Tato místa se nacházejí na 5′ a 3′ koncích intronů. Je známo, že tyto konsenzuální sekvence jsou kritické, protože změna jednoho z konzervovaných nukleotidů vede k inhibici sestřihu.

Na obrázcích jsou znázorněna místa sestřihu a dva kroky vedoucí k sestřihu. V rámci intronů je pro sestřih vyžadováno dárcovské místo (5' konec intronu), místo větvení (blízko 3' konce intronu) a akceptorové místo (3' konec intronu):

* Dárcovské místo je invariantní sekvenci GU (guanin a uracil) na 5' konci intronu. * Místo větvení (branchpoint) zahrnuje A (adenin). +more * Akceptorové místo je invariantní AG (adenin a guanin) sekvencí na 3' konci intronu. * Mezi sekvencí AG a A je oblast s vysokým obsahem pyrimidinů (cytosin a uracil) nebo polypyrimidinového traktu.

Sestřih pomocí spliceozomu

Spliceozom se nachází v jádře buněk a obsahuje spolu s dalšími bílkovinami množství malých ribonukleoproteinů (snRNPs, vyslovováno "snurps"), které jsou schopné katalyzovat chemické reakce účastnící se sestřihu.

Sestřih pomocí autosplicingu

Autosplicing znamená, že molekuly samostatně katalyzují sestřih své vlastní struktury. Je to vzácnější mechanismus, který se většinou vyskytuje u ribozymů. +more Autosplicing probíhá v mitochondriích, plastidech a některých bakteriích, neboť obsahují autokatalycké introny schopné vyříznutí bez zásahu spliceozomů.

Sestřih alternativní

Alternativní splicing (sestřih) znamená, že sestřihu pre-mRNA může být dosaženo několika mechanismy, tedy pre-mRNA může být sestřihána několika způsoby. Tento mechanismus má za následek, že z jednoho genu u eukaryot může vzniknout více různých bílkovin, a tím se zvyšuje bohatost eukaryotického proteomu. +more Více variant sestřihu jednoho řetězce pre-mRNA tak může regulovat strukturu budoucích bílkovin.

Alternativní sestřih byl poprvé pozorován v roce 1977. Vědci zjistili, že první transkripovaná RNA produkovaná virem adenoviru typu 2 v jeho pozdní fázi prošla různými sestřihy, což vedlo ke vzniku mRNA kódující různé virové bílkoviny. +more V roce 1981 byl prozkoumán první alternativní sestřih transkriptu normálního genu. V současnosti víme, že alternativní sestřih je v buňkách běžný a je jedním z nejsložitějších biologických mechanismů u eukaryot.