Сплайсинг — технология редактирования генома¶
Сплайсинг — это процесс удаления некодирующих участков первичного транскрипта (премРНК) и соединения оставшихся фрагментов (эксонов) в зрелую матричную РНК, а также обобщённое название методов редактирования биологических молекул и цифровых данных, основанных на соединении фрагментов. Термин происходит от англ. splicing — «сращивание, склейка». В молекулярной биологии сплайсинг является ключевым этапом посттранскрипционной обработки генетической информации у эукариот.
¶Сплайсинг РНК
¶Биологический механизм
У эукариот гены состоят из чередующихся участков — экзонов (несущих кодирующую информацию) и интронов (не кодирующих белок). При транскрипции ДНК в РНК-полимераза II синтезирует первичный транскрипт (премРНК), в котором экзоны и интроны сохраняются в исходном порядке. Для получения зрелой мРНК интроны удаляются, а экзоны сшиваются в непрерывную последовательность.
Ключевые сигналы, распознаваемые при сплайсинге:
- 5'-сайт сплайсинга (донорный сайт) — консервативная последовательность GU в начале интрона;
- 3'-сайт сплайсинга (акцепторный сайт) — последовательность AG в конце интрона;
- полная ветвевая точка (branch point) — аденозин, расположенный в 18–40 нуклеотидах перед акцепторным сайтом;
- полиринуклеотидный участок — пиримидиновый богатый участок перед ветвевой точкой.
¶Сплайсосома
Соединение экзонов катализируется крупной рибонуклеопротеиновой частицей — сплайсосомой, диаметром около 40–60 нм. Сплайсосома собирается из пяти малых ядерных рибонуклеопротеинов (snRNP: U1, U2, U4, U5, U6) и множества белковых факторов. Процесс включает два трансэстерификационных этапа: сначала 2'-OH ветвевой точки атакует 5'-сайт сплайсинга с образованием ларнет-структуры, затем 3'-OH высвобожденного экзона атакует 3'-сайт, сшивая два экзона и высвобождая интрон в виде ларнета.
Существует два типа сплайсосом: у-тип (основной, удаляющий большинство интронов) и у-тип (каталитически родственный, обрабатывающий интроны в генах, кодирующих малые ядерные РНК).
¶Альтернативный сплайсинг
Альтернативный сплайсинг — вариант обработки премРНК, при котором один и тот же ген может порождать несколько различных зрелых мРНК за счёт различного набора используемых экзонов. Этот механизм резко расширяет кодирующий потенциал генома: у человека около 95 % генов с несколькими экзонами подвергаются альтернативному сплайсингу, что позволяет из одного гена синтезировать десятки изоформ белка. Механизмы альтернативного сплайсинга включают пропуск экзонов, альтернативные 5'- и 3'-сайты, сохранение или удаление внутренних интронов.
Регуляция альтернативного сплайсинга осуществляется факторами сплайсинга и транскрипционными факторами, связывающимися с энхансерными или сайленсерными элементами экзонов и интронов.
¶Болезни, связанные с нарушением сплайсинга
Мутации в сайтах сплайсинга или факторах сплайсосомы вызывают ряд наследственных заболеваний. Классический пример — β-талассемия, при которой мутации в сплайсинг-сигналах гена β-глобина приводят к нарушению созревания мРНК и тяжёлой анемии. Нарушения сплайсинга играют роль при синдроме Ретта, боковом амиотрофическом склерозе, различных нейродегенеративных заболеваниях и онкологических процессах.
¶Сплайсинг как метод редактирования
¶Редактирование РНК
В природе существует редактирование РНК — химическое изменение отдельных нуклеотидов в транскрипте (например, дезаминирование аденина в инозин под действием ADAR-ферментов), что позволяет изменить кодирующую информацию посттранскрипционно. Этот процесс также иногда относят к сплайсингу в широком смысле.
¶Сплайсинг в биоинформатике
В биоинформатике под сплайсингом понимают сшивание фрагментов последовательностей ДНК или РНК, полученных при секвенировании. Метод RNA-seq использует сплайсинг-сборку (транскриптомную сборку) для восстановления полных транскриптов из коротких прочтений. Алгоритмы сборки (например, StringTie, Trinity, Cufflinks) решают NP-полную задачу реконструкции последовательностей.
¶Сплайсинг в медицине
Терапевтический сплайсинг — направление генной терапии, направленное на коррекцию аномального сплайсинга с помощью антисмысловых олигонуклеотидов (ASO). Первым одобренным препаратом такого типа стал нусинерсен (Spinraza) для лечения спинальной мышечной атрофии: он связывается с интроном 7 премРНК гена SMN2 и восстанавливает включение экзона 7, увеличивая синтез функционального белка SMN. Метод применяется также при дистрофии Дюшенна, миотонической дистрофии и ряде других заболеваний.
¶Сплайсинг в цифровых технологиях
В программировании и обработке данных термин «сплайсинг» обозначает операции соединения или разъединения фрагментов: в языке Python метод splice и срезы списков, в обработке изображений и видео — склейка фрагментов, в телекоммуникациях — мультиплексирование потоков.
¶История
Роль интронов в генах эукариот была открыта в 1977 году Ричардом Робертсом и Филиппом Шарпом независимо друг от друга (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1993). Термин «сплайсинг» вошёл в употребление в начале 1980-х годов после открытия сплайсосомы. Механизм трансэстерификации был описан в 1980-е годы, а структуры сплайсосомы в атомном разрешении получены в 2010-е годы группой Р. Лёрмана и другими исследователями.
¶Источники
- Альтшулер, М. Д., Хьюз, А. Л. Молекулярная биология клетки
- Максимов, В. А. Биоинформатика: учебное пособие
- Alberts B. Molecular Biology of the Cell
- Nilsen T. W., Graveley B. R. Expansion of the eukaryotic proteome by alternative splicing // Nature
- Куталовский, В. Н. Генетика: учебник