stringtranslate.com

Изоформа белка

Белки A, B и C являются изоформами, кодируемыми одним и тем же геном посредством альтернативного сплайсинга .

Изоформа белка , или « вариант белка », [1] является членом набора очень похожих белков , которые происходят из одного гена и являются результатом генетических различий. [2] Хотя многие из них выполняют одинаковые или похожие биологические роли, некоторые изоформы имеют уникальные функции. Набор изоформ белка может быть образован из альтернативных сплайсингов , использования переменного промотора или других посттранскрипционных модификаций одного гена; посттрансляционные модификации, как правило, не рассматриваются. (Для этого см. Протеоформы .) Благодаря механизмам сплайсинга РНК , мРНК имеет возможность выбирать различные кодирующие белок сегменты ( экзоны ) гена или даже различные части экзонов из РНК для формирования различных последовательностей мРНК. Каждая уникальная последовательность производит определенную форму белка.

Открытие изоформ может объяснить несоответствие между небольшим числом областей кодирования белков генов, выявленных в ходе проекта генома человека , и большим разнообразием белков, обнаруженных в организме: различные белки, кодируемые одним и тем же геном, могут увеличить разнообразие протеома . Изоформы на уровне РНК легко характеризуются с помощью исследований транскриптов кДНК . Многие человеческие гены обладают подтвержденными альтернативными изоформами сплайсинга. Было подсчитано, что у людей можно идентифицировать ~100 000 экспрессируемых последовательностей тегов ( EST ). [1] Изоформы на уровне белков могут проявляться в делеции целых доменов или более коротких петель, обычно расположенных на поверхности белка. [3]

Определение

Один ген обладает способностью производить несколько белков, которые различаются как по структуре, так и по составу; [4] [5] этот процесс регулируется альтернативным сплайсингом мРНК, хотя неясно, в какой степени такой процесс влияет на разнообразие человеческого протеома, поскольку обилие изоформ транскрипта мРНК не обязательно коррелирует с обилием изоформ белка. [6] Сравнение трехмерной структуры белка может быть использовано для определения того, какие изоформы, если таковые имеются, представляют собой функциональные белковые продукты, а структура большинства изоформ в человеческом протеоме была предсказана AlphaFold и опубликована на isoform.io. [7] Специфичность транслируемых изоформ выводится из структуры/функции белка, а также из типа клетки и стадии развития, на которой они производятся. [4] [5] Определение специфичности становится более сложным, когда белок имеет несколько субъединиц, и каждая субъединица имеет несколько изоформ.

Например, 5'-AMP-активируемая протеинкиназа (AMPK), фермент, который выполняет различные функции в клетках человека, имеет 3 субъединицы: [8]

В скелетных мышцах человека предпочтительная форма — α2β2γ1. [8] Но в печени человека наиболее распространенной формой является α1β2γ1. [8]

Механизм

Различные механизмы сплайсинга РНК

Основными механизмами, которые производят изоформы белка, являются альтернативный сплайсинг и использование вариабельного промотора, хотя модификации, вызванные генетическими изменениями, такими как мутации и полиморфизмы, иногда также считаются отдельными изоформами. [9]

Альтернативный сплайсинг — это основной процесс посттранскрипционной модификации , который производит изоформы транскрипта мРНК, и является основным молекулярным механизмом, который может способствовать разнообразию белков. [5] Сплайсосома , большой рибонуклеопротеин , — это молекулярная машина внутри ядра, отвечающая за расщепление и лигирование РНК , удаляющая некодирующие белки сегменты ( интроны ). [10]

Поскольку сплайсинг — это процесс, происходящий между транскрипцией и трансляцией , его основные эффекты в основном изучались с помощью методов геномики , например, микрочиповый анализ и секвенирование РНК использовались для идентификации альтернативно сплайсированных транскриптов и измерения их распространенности. [9] Распространенность транскрипта часто используется в качестве прокси для распространенности изоформ белка, хотя эксперименты по протеомике с использованием гель-электрофореза и масс-спектрометрии продемонстрировали, что корреляция между количеством транскрипта и белка часто низкая, и что одна изоформа белка обычно является доминирующей. [11] В одном исследовании 2015 года утверждается, что причина этого несоответствия, вероятно, возникает после трансляции, хотя механизм по существу неизвестен. [12] Следовательно, хотя альтернативный сплайсинг был замешан в качестве важной связи между вариацией и болезнью, нет убедительных доказательств того, что он действует в первую очередь путем производства новых изоформ белка. [11]

Альтернативный сплайсинг обычно описывает жестко регулируемый процесс, в котором альтернативные транскрипты намеренно генерируются аппаратом сплайсинга. Однако такие транскрипты также производятся ошибками сплайсинга в процессе, называемом «шумным сплайсингом», и также потенциально транслируются в изоформы белка. Хотя ~95% многоэкзонных генов считаются альтернативно сплайсированными, одно исследование шумного сплайсинга обнаружило, что большинство различных малораспространенных транскриптов являются шумовыми, и предсказывает, что большинство альтернативных транскриптов и изоформ белка, присутствующих в клетке, не являются функционально значимыми. [13]

Другие транскрипционные и посттранскрипционные регуляторные этапы также могут производить различные изоформы белка. [14] Использование переменного промотора происходит, когда транскрипционный аппарат клетки ( РНК-полимераза , факторы транскрипции и другие ферменты ) начинает транскрипцию на разных промоторах — области ДНК около гена, которая служит начальным сайтом связывания, — что приводит к слегка измененным транскриптам и изоформам белка.

Характеристики

Как правило, одна изоформа белка помечается как каноническая последовательность на основе таких критериев, как ее распространенность и сходство с ортологичными — или функционально аналогичными — последовательностями у других видов. [15] Предполагается, что изоформы имеют схожие функциональные свойства, поскольку большинство из них имеют схожие последовательности и разделяют некоторые или большинство экзонов с канонической последовательностью. Однако некоторые изоформы демонстрируют гораздо большую дивергенцию (например, посредством транссплайсинга ) и могут разделять мало или вообще не разделять экзонов с канонической последовательностью. Кроме того, они могут иметь разные биологические эффекты — например, в крайнем случае функция одной изоформы может способствовать выживанию клеток, в то время как другая способствует гибели клеток — или могут иметь схожие основные функции, но отличаться по своей субклеточной локализации. [16] Однако исследование 2016 года функционально охарактеризовало все изоформы 1492 генов и определило, что большинство изоформ ведут себя как «функциональные аллоформы». Авторы пришли к выводу, что изоформы ведут себя как отдельные белки, после того, как заметили, что функционал большинства изоформ не перекрывается. [17] Поскольку исследование проводилось на клетках in vitro , неизвестно, разделяют ли изоформы в экспрессированном человеческом протеоме эти характеристики. Кроме того, поскольку функция каждой изоформы, как правило, должна определяться отдельно, большинство идентифицированных и предсказанных изоформ все еще имеют неизвестные функции.

Связанные концепции

Гликоформ

Гликоформа — это изоформа белка, которая отличается только количеством или типом прикрепленного гликана . Гликопротеины часто состоят из ряда различных гликоформ с изменениями в прикрепленном сахариде или олигосахариде . Эти модификации могут быть результатом различий в биосинтезе в процессе гликозилирования или из-за действия гликозидаз или гликозилтрансфераз . Гликоформы могут быть обнаружены с помощью детального химического анализа разделенных гликоформ, но более удобно обнаруживать с помощью дифференциальной реакции с лектинами , как в лектиновой аффинной хроматографии и лектиновой аффинной электрофорезе . Типичными примерами гликопротеинов, состоящих из гликоформ, являются белки крови, такие как орозомукоид , антитрипсин и гаптоглобин . Необычная вариация гликоформ наблюдается в молекуле адгезии нейрональных клеток, NCAM, включающей полисиаловые кислоты, PSA .

Примеры

Моноаминоксидаза , семейство ферментов, катализирующих окисление моноаминов, существует в двух изоформах: МАО-А и МАО-В.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ аб Бретт Д., Поспишил Х., Валькарсель Дж., Райх Дж., Борк П. (январь 2002 г.). «Альтернативный сплайсинг и сложность генома». Природная генетика . 30 (1): 29–30. дои : 10.1038/ng803. PMID  11743582. S2CID  2724843.
  2. ^ Schlüter H, Apweiler R, Holzhütter HG, Jungblut PR (сентябрь 2009 г.). «Найти путь в протеомике: номенклатура видов белков». Chemistry Central Journal . 3 : 11. doi : 10.1186/1752-153X-3-11 . PMC 2758878. PMID  19740416 . 
  3. ^ Kozlowski, L.; Orlowski, J.; Bujnicki, JM (2012). "Предсказание структуры для альтернативно сплайсированных белков". Альтернативный сплайсинг пре-мРНК . стр. 582. doi :10.1002/9783527636778.ch54. ISBN 9783527636778.
  4. ^ ab Андреадис А., Гальего М.Е., Надаль-Жинард Б. (1987-01-01). «Создание разнообразия изоформ белков путем альтернативного сплайсинга: механистические и биологические последствия». Annual Review of Cell Biology . 3 (1): 207–42. doi :10.1146/annurev.cb.03.110187.001231. PMID  2891362.
  5. ^ abc Breitbart RE, Andreadis A, Nadal-Ginard B (1987-01-01). «Альтернативный сплайсинг: повсеместный механизм генерации множественных изоформ белков из отдельных генов». Annual Review of Biochemistry . 56 (1): 467–95. doi :10.1146/annurev.bi.56.070187.002343. PMID  3304142.
  6. ^ Liu Y, Beyer A, Aebersold R (апрель 2016 г.). «О зависимости уровней клеточного белка от распространенности мРНК». Cell . 165 (3): 535–50. doi : 10.1016/j.cell.2016.03.014 . hdl : 20.500.11850/116226 . PMID  27104977.
  7. ^ Sommer, Markus J.; Cha, Sooyoung; Varabyou, Ales; Rincon, Natalia; Park, Sukhwan; Minkin, Ilia; Pertea, Mihaela; Steinegger, Martin; Salzberg, Steven L. (15.12.2022). "Идентификация изоформ на основе структуры для человеческого транскриптома". eLife . 11 : e82556. doi : 10.7554/eLife.82556 . PMC 9812405 . PMID  36519529. 
  8. ^ abc Dasgupta B, Chhipa RR (март 2016 г.). «Развивающиеся уроки о сложной роли AMPK в нормальной физиологии и раке». Тенденции в фармакологических науках . 37 (3): 192–206. doi :10.1016/j.tips.2015.11.007. PMC 4764394. PMID  26711141 . 
  9. ^ ab Kornblihtt AR, Schor IE, Alló M, Dujardin G, Petrillo E, Muñoz MJ (март 2013 г.). «Альтернативный сплайсинг: решающий шаг между эукариотической транскрипцией и трансляцией». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 14 (3): 153–65. doi :10.1038/nrm3525. hdl : 11336/21049 . PMID  23385723. S2CID  54560052.
  10. ^ Lee Y, Rio DC (2015-01-01). «Механизмы и регуляция альтернативного сплайсинга пре-мРНК». Annual Review of Biochemistry . 84 (1): 291–323. doi :10.1146/annurev-biochem-060614-034316. PMC 4526142. PMID  25784052 . 
  11. ^ ab Tress ML, Abascal F, Valencia A (февраль 2017 г.). «Альтернативный сплайсинг может не быть ключом к сложности протеома». Trends in Biochemical Sciences . 42 (2): 98–110. doi :10.1016/j.tibs.2016.08.008. PMC 6526280 . PMID  27712956. 
  12. ^ Battle A, Khan Z, Wang SH, Mitrano A, Ford MJ, Pritchard JK, Gilad Y (февраль 2015 г.). «Геномная вариация. Влияние регуляторной вариации от РНК к белку». Science . 347 (6222): 664–7. doi :10.1126/science.1260793. PMC 4507520 . PMID  25657249. 
  13. ^ Pickrell JK, Pai AA, Gilad Y, Pritchard JK (декабрь 2010 г.). «Шумный сплайсинг приводит к разнообразию изоформ мРНК в клетках человека». PLOS Genetics . 6 (12): e1001236. doi : 10.1371/journal.pgen.1001236 . PMC 3000347. PMID  21151575 . 
  14. ^ Смит Л. М., Келлехер Н. Л. (март 2013 г.). «Протеоформа: единый термин, описывающий сложность белка». Nature Methods . 10 (3): 186–7. doi :10.1038/nmeth.2369. PMC 4114032 . PMID  23443629. 
  15. ^ Li HD, Menon R, Omenn GS, Guan Y (декабрь 2014 г.). «Пересмотр идентификации канонических изоформ сплайсинга посредством интеграции данных функциональной геномики и протеомики» (PDF) . Протеомика . 14 (23–24): 2709–18. doi :10.1002/pmic.201400170. PMC 4372202 . PMID  25265570. 
  16. ^ Сундвалл М., Вейкколайнен В., Курппа К., Салах З., Творогов Д., ван Зоелен Э.Дж., Акейлан Р., Элениус К. (декабрь 2010 г.). «Гибель или выживание клеток, чему способствуют альтернативные изоформы ErbB4». Молекулярная биология клетки . 21 (23): 4275–86. doi :10.1091/mbc.E10-04-0332. ПМЦ 2993754 . ПМИД  20943952. 
  17. ^ Yang X, Coulombe-Huntington J, Kang S, Sheynkman GM, Hao T, Richardson A и др. (февраль 2016 г.). «Широкое расширение возможностей взаимодействия белков путем альтернативного сплайсинга». Cell . 164 (4): 805–17. doi :10.1016/j.cell.2016.01.029. PMC 4882190 . PMID  26871637. 
  18. ^ Barre L, Fournel-Gigleux S, Finel M, Netter P, Magdalou J, Ouzzine M (март 2007 г.). "Субстратная специфичность человеческой UDP-глюкуронозилтрансферазы UGT2B4 и UGT2B7. Идентификация критического ароматического аминокислотного остатка в положении 33". The FEBS Journal . 274 (5): 1256–64. doi : 10.1111/j.1742-4658.2007.05670.x . PMID  17263731.
  19. ^ Патома, Основы патологии

Внешние ссылки

Найдите значение слова «изоформа» в Викисловаре, бесплатном словаре.