В молекулярной биологии и генетике смысл молекулы нуклеиновой кислоты , в частности, цепи ДНК или РНК , относится к природе ролей цепи и ее дополнения в определении последовательности аминокислот . [ требуется цитирование ] В зависимости от контекста смысл может иметь несколько разные значения. Например, цепь ДНК с отрицательным смыслом эквивалентна цепи-шаблону, тогда как цепь с положительным смыслом является нематрицей, нуклеотидная последовательность которой эквивалентна последовательности транскрипта мРНК .
Из-за комплементарной природы спаривания оснований между полимерами нуклеиновых кислот двухцепочечная молекула ДНК будет состоять из двух цепей с последовательностями, которые являются обратными комплементарными друг другу. Чтобы помочь молекулярным биологам конкретно идентифицировать каждую цепочку по отдельности, две цепи обычно различаются как «смысловая» цепь и «антисмысловая» цепь. Отдельная цепь ДНК называется положительной по смыслу (также положительной (+) или просто смысловой ), если ее нуклеотидная последовательность напрямую соответствует последовательности транскрипта РНК , которая транслируется или транслируется в последовательность аминокислот (при условии, что любые основания тимина в последовательности ДНК заменены основаниями урацила в последовательности РНК). Другая цепь двухцепочечной молекулы ДНК называется отрицательной по смыслу (также отрицательной (−) или антисмысловой ), и является обратно комплементарной как положительной по смыслу цепи, так и транскрипту РНК. На самом деле именно антисмысловая цепь используется в качестве матрицы, из которой РНК-полимеразы строят транскрипт РНК, но комплементарное спаривание оснований, посредством которого происходит полимеризация нуклеиновой кислоты, означает, что последовательность транскрипта РНК будет выглядеть идентично положительной цепи, за исключением использования в транскрипте РНК урацила вместо тимина.
Иногда фразы кодирующая цепь и шаблонная цепь встречаются вместо смысла и антисмысла соответственно, и в контексте двухцепочечной молекулы ДНК использование этих терминов по сути эквивалентно. Однако кодирующая/смысловая цепь не всегда должна содержать код, который используется для создания белка; как кодирующие белок, так и некодирующие РНК могут транскрибироваться.
Термины «смысловой» и «антисмысловой» относятся только к конкретному рассматриваемому транскрипту РНК, а не к цепи ДНК в целом. Другими словами, любая цепь ДНК может служить смысловой или антисмысловой цепью. Большинство организмов с достаточно большими геномами используют обе цепи, причем каждая цепь функционирует как шаблонная цепь для различных транскриптов РНК в разных местах вдоль одной и той же молекулы ДНК. В некоторых случаях транскрипты РНК могут транскрибироваться в обоих направлениях (т. е. на любой цепи) из общей области промотора или транскрибироваться изнутри интронов на любой цепи (см. «амбисенс» ниже). [1] [2] [3]
Смысловая цепь ДНК выглядит как транскрипт информационной РНК (мРНК) и, следовательно, может использоваться для считывания ожидаемой последовательности кодонов , которая в конечном итоге будет использоваться во время трансляции (синтеза белка) для построения аминокислотной последовательности, а затем белка. Например, последовательность «ATG» в смысловой цепи ДНК соответствует кодону «AUG» в мРНК, который кодирует аминокислоту метионин . Однако сама смысловая цепь ДНК не используется в качестве шаблона для мРНК; именно антисмысловая цепь ДНК служит источником для белкового кода, поскольку с основаниями, комплементарными смысловой цепи ДНК, она используется в качестве шаблона для мРНК. Поскольку транскрипция приводит к получению продукта РНК, комплементарного шаблонной цепи ДНК, мРНК комплементарна антисмысловой цепи ДНК.
Следовательно, триплет оснований 3′-TAC-5′ в антисмысловой цепи ДНК (комплементарный 5′-ATG-3′ смысловой цепи ДНК) используется в качестве шаблона, что приводит к триплету оснований 5′-AUG-3′ в мРНК. Смысловая цепь ДНК будет иметь триплет ATG, который похож на триплет мРНК AUG, но не будет использоваться для производства метионина, поскольку он не будет напрямую использоваться для производства мРНК. Смысловая цепь ДНК называется «смысловой» цепью не потому, что она будет использоваться для производства белка (она не будет), а потому, что она имеет последовательность, которая напрямую соответствует последовательности кодонов РНК. По этой логике сам транскрипт РНК иногда описывается как «смысловой».
Некоторые регионы в двухцепочечной молекуле ДНК кодируют гены , которые обычно являются инструкциями, определяющими порядок, в котором аминокислоты собираются для создания белков, а также регуляторные последовательности, сайты сплайсинга , некодирующие интроны и другие продукты генов . Для того чтобы клетка использовала эту информацию, одна нить ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной нити РНК . Транскрибированная нить ДНК называется шаблонной нитью с антисмысловой последовательностью, а транскрипт мРНК, полученный из нее, называется смысловой последовательностью (дополнением антисмысловой). Нетранскрибированная нить ДНК, комплементарная транскрибированной нити, также называется смысловой последовательностью; она имеет ту же смысловую последовательность, что и транскрипт мРНК (хотя основания T в ДНК заменены основаниями U в РНК).
Названия, присваиваемые каждой нити, на самом деле зависят от того, в каком направлении вы пишете последовательность, содержащую информацию для белков («смысловую» информацию), а не от того, какая нить изображена как «сверху» или «снизу» (что произвольно). Единственная биологическая информация, которая важна для маркировки нитей, — это относительное расположение терминальной 5′ фосфатной группы и терминальной 3′ гидроксильной группы (на концах рассматриваемой нити или последовательности), поскольку эти концы определяют направление транскрипции и трансляции. Последовательность, записанная как 5′-CGCTAT-3′, эквивалентна последовательности, записанной как 3′-TATCGC-5′, если отмечены концы 5′ и 3′. Если концы не отмечены, принято считать, что обе последовательности записаны в направлении от 5′ к 3′. «Цепь Уотсона» относится к верхней цепи 5′-к-3′ (5′→3′), тогда как «цепь Крика» относится к нижней цепи 5′-к-3′ (3′←5′). [4] Как Уотсоновская, так и Криковская цепи могут быть как смысловыми, так и антисмысловыми цепями в зависимости от конкретного генного продукта, полученного из них.
Например, обозначение "YEL021W", псевдоним гена URA3, используемый в базе данных Национального центра биотехнологической информации (NCBI), означает, что этот ген находится в 21-й открытой рамке считывания (ORF) от центромеры левого плеча (L) хромосомы дрожжей (Y) номер V (E), и что кодирующая нить экспрессии - это нить Уотсона (W). "YKL074C" обозначает 74-ю ORF слева от центромеры хромосомы XI, и что кодирующая нить - это нить Крика (C). Также широко используется другой сбивающий с толку термин, относящийся к нитям "Плюс" и "Минус". Независимо от того, является ли нить смысловой (положительной) или антисмысловой (отрицательной), последовательность запроса по умолчанию в выравнивании NCBI BLAST - это нить "Плюс".
Одноцепочечный геном, который используется как в положительном, так и в отрицательном смысле, называется амбисенсным . Некоторые вирусы имеют амбисенсные геномы. Буньявирусы имеют три одноцепочечных фрагмента РНК (ssRNA), некоторые из них содержат как положительно, так и отрицательно смысловые участки; аренавирусы также являются вирусами ssRNA с амбисенсным геномом, поскольку у них есть три фрагмента, которые в основном имеют отрицательный смысл, за исключением части 5'-концов большого и малого сегментов их генома.
Последовательность РНК, которая комплементарна эндогенному транскрипту мРНК, иногда называют « антисмысловой РНК ». Другими словами, это некодирующая цепь, комплементарная кодирующей последовательности РНК; это похоже на вирусную РНК с отрицательным смыслом. Когда мРНК образует дуплекс с комплементарной антисмысловой последовательностью РНК, трансляция блокируется. Этот процесс связан с РНК-интерференцией . Клетки могут естественным образом производить молекулы антисмысловой РНК, называемые микроРНК , которые взаимодействуют с комплементарными молекулами мРНК и подавляют их экспрессию . Эта концепция также использовалась в качестве метода молекулярной биологии путем искусственного введения трансгена, кодирующего антисмысловую РНК, чтобы заблокировать экспрессию интересующего гена. Радиоактивно или флуоресцентно меченая антисмысловая РНК может использоваться для отображения уровня транскрипции генов в различных типах клеток.
Некоторые альтернативные антисмысловые структурные типы были экспериментально применены в качестве антисмысловой терапии . В Соединенных Штатах Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) одобрило фосфоротиоатные антисмысловые олигонуклеотиды фомивирсен (Витравен) [5] и мипомерсен (Кинамро) [6] для терапевтического использования у людей.
В вирусологии термин «смысл» имеет несколько иное значение. Геном РНК-вируса можно назвать либо положительным смыслом , также известным как «плюс-цепь», либо отрицательным смыслом , также известным как «минус-цепь». В большинстве случаев термины «смысл» и «цепь» используются взаимозаменяемо, что делает такие термины, как «положительная цепь» эквивалентными «положительному смыслу», а «плюс-цепь» эквивалентными «плюс-смыслу». Является ли вирусный геном положительным смыслом или отрицательным смыслом, может использоваться в качестве основы для классификации вирусов.
Положительно-смысловая ( 5′ - 3′ ) вирусная РНК означает, что определенная последовательность вирусной РНК может быть напрямую транслирована в вирусные белки (например, те, которые необходимы для репликации вируса). Следовательно, в вирусах с положительной РНК геном вирусной РНК можно считать вирусной мРНК и он может быть немедленно транслирован клеткой-хозяином. В отличие от отрицательно-смысловой РНК, положительно-смысловая РНК имеет тот же смысл, что и мРНК. Некоторые вирусы (например, Coronaviridae ) имеют положительно-смысловые геномы, которые могут действовать как мРНК и использоваться напрямую для синтеза белков без помощи комплементарного промежуточного РНК. Из-за этого этим вирусам не нужно иметь РНК-полимеразу, упакованную в вирион — РНК-полимераза будет одним из первых белков, продуцируемых клеткой-хозяином, поскольку она необходима для репликации генома вируса.
Отрицательно-смысловая (3′-5′) вирусная РНК комплементарна вирусной мРНК, поэтому положительно-смысловая РНК должна быть произведена из нее РНК-зависимой РНК-полимеразой до трансляции. Как и ДНК, отрицательно-смысловая РНК имеет нуклеотидную последовательность, комплементарную мРНК, которую она кодирует; также, как и ДНК, эта РНК не может быть транслирована в белок напрямую. Вместо этого она должна сначала быть транскрибирована в положительно-смысловую РНК, которая действует как мРНК. Некоторые вирусы (например, вирусы гриппа ) имеют отрицательно-смысловые геномы и поэтому должны нести РНК-полимеразу внутри вириона.
Подавление генов может быть достигнуто путем введения в клетки короткого «антисмыслового олигонуклеотида», который комплементарен РНК-мишени. Этот эксперимент был впервые проведен Замечником и Стивенсоном в 1978 году [7] и продолжает оставаться полезным подходом как для лабораторных экспериментов, так и, возможно, для клинических применений ( антисмысловая терапия ). [8] Несколько вирусов, таких как вирусы гриппа [9] [10] [11] [12] респираторно-синцитиальный вирус (RSV) [9] и коронавирус SARS (SARS-CoV) [9] , были нацелены с использованием антисмысловых олигонуклеотидов для ингибирования их репликации в клетках-хозяевах.
Если антисмысловой олигонуклеотид содержит участок ДНК или ДНК-имитатор (фосфоротиоатная ДНК, 2′F-ANA или другие), он может привлекать РНКазу H для деградации целевой РНК. Это делает механизм подавления генов каталитическим. Двухцепочечная РНК также может действовать как каталитический, зависимый от фермента антисмысловой агент через путь РНКi / siRNA , включающий распознавание целевой мРНК через спаривание смысловой-антисмысловой цепи с последующей деградацией целевой мРНК комплексом подавления РНК (RISC). Система плазмиды R1 hok/sok представляет собой еще один пример процесса фермент-зависимой антисмысловой регуляции через ферментативную деградацию полученного дуплекса РНК.
Другие антисмысловые механизмы не зависят от фермента, но включают стерическую блокировку их целевой РНК (например, для предотвращения трансляции или для индукции альтернативного сплайсинга). Стерические блокирующие антисмысловые механизмы часто используют олигонуклеотиды, которые сильно модифицированы. Поскольку нет необходимости в распознавании РНКазой H, это может включать такие химические вещества, как 2′-O-алкил, пептидонуклеиновая кислота (PNA), запертая нуклеиновая кислота (LNA) и морфолино- олигомеры.