stringtranslate.com

Сплайсосома

Сплайсосома — это большой рибонуклеопротеиновый (РНП) комплекс, находящийся в основном в ядре эукариотических клеток . Сплайсосома собирается из малых ядерных РНК ( мяРНК ) и многочисленных белков. Молекулы малых ядерных РНК (мяРНК) связываются со специфическими белками, образуя небольшой ядерный рибонуклеопротеиновый комплекс (мяРНП, произносится как «снёрпс»), который, в свою очередь, объединяется с другими мяРНП, образуя большой рибонуклеопротеиновый комплекс, называемый сплайсосомой. Сплайсосома удаляет интроны из транскрибированной пре-мРНК, типа первичного транскрипта . Этот процесс обычно называют сплайсингом . [1] Аналогией является монтажер фильма, который выборочно вырезает ненужный или неправильный материал (эквивалент интронов ) из исходного фильма и отправляет очищенную версию режиссеру для окончательного монтажа. [ необходима цитата ]

Однако иногда РНК внутри интрона действует как рибозим, осуществляя сплайсинг без использования сплайсосомы или белковых ферментов.

Цикл сплайсосомного сплайсинга

История

В 1977 году работа лабораторий Шарпа и Робертса показала, что гены высших организмов «расщеплены» или присутствуют в нескольких отдельных сегментах вдоль молекулы ДНК. [2] [3] Кодирующие области гена разделены некодирующей ДНК , которая не участвует в экспрессии белка. Структура расщепленного гена была обнаружена, когда аденовирусные мРНК были гибридизированы с фрагментами расщепления эндонуклеазой одноцепочечной вирусной ДНК. [2] Было замечено, что мРНК гибридов мРНК-ДНК содержали 5' и 3' хвосты не связанных водородом областей. Когда использовались более крупные фрагменты вирусной ДНК, при гибридизации с вирусными мРНК наблюдались раздвоенные структуры петлевой ДНК. Было обнаружено, что петлевые области, интроны , вырезаются из предшественников мРНК в процессе, который Шарп назвал «сплайсингом». Впоследствии было обнаружено, что структура расщепленного гена является общей для большинства эукариотических генов. Филлип Шарп и Ричард Дж. Робертс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1993 года за открытие интронов и процесса сплайсинга. [ необходима ссылка ]

Состав

Каждая сплайсосома состоит из пяти малых ядерных РНК (мяРНК) и ряда связанных с ними белковых факторов. Когда эти малые РНК объединяются с белковыми факторами, они создают комплексы РНК-белок, называемые мяРНП ( малые ядерные рибонуклеопротеины , произносится как « снёрпс » ) . МяРНК, составляющие основную сплайсосому, называются U1 , U2 , U4 , U5 и U6 , так называемые потому , что они богаты уридином и участвуют в нескольких взаимодействиях РНК-РНК и РНК-белок. [1]

Сборка сплайсосомы происходит на каждой пре-мРНК (также известной как гетерогенная ядерная РНК, hn-РНК) на каждом стыке экзон:интрон. Пре-мРНК интроны содержат специфические элементы последовательности, которые распознаются и используются во время сборки сплайсосомы. К ним относятся 5'-концевой сайт сплайсинга, последовательность точек ветвления, полипиримидиновый тракт и 3'-концевой сайт сплайсинга. Сплайсосома катализирует удаление интронов и лигирование фланкирующих экзонов. [ необходима цитата ]

Интроны обычно имеют последовательность нуклеотидов GU на 5'-концевом сайте сплайсинга и AG на 3'-концевом сайте сплайсинга. 3'-сайт сплайсинга может быть дополнительно определен переменной длиной полипиримидинов, называемых полипиримидиновым трактом (PPT), который выполняет двойную функцию привлечения факторов к 3'-сайту сплайсинга и, возможно, привлечения факторов к последовательности точек ветвления (BPS). BPS содержит консервативный аденозин, необходимый для первого этапа сплайсинга. [ необходима цитата ]

Во многих белках присутствует мотив связывания цинка, что подчеркивает важность цинка в механизме сплайсинга. [4] [5] [6] Первая реконструкция с молекулярной точностью комплекса тройного малого ядерного рибонуклеопротеина (tri-snRNP) U4/U6.U5 была опубликована в 2016 году. [7]

Рисунок 1. Выше представлены поля электронной микроскопии [8] отрицательно окрашенных три-snRNP дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae ). Ниже слева представлена ​​схема взаимодействия белков три-snRNP с дуплексом мяРНК U4/U6. Ниже справа представлена ​​мультяшная модель три-snRNP дрожжей с затененными областями, соответствующими U5 (серый), U4/U6 (оранжевый) и линкерной области (желтый).

Крио-ЭМ широко применялась Ши и др. для выяснения почти атомной структуры сплайсосомы как у дрожжей [9], так и у людей. [10] Молекулярная структура сплайсосомы с почти атомным разрешением демонстрирует, что компонент Spp42 U5 snRNP образует центральный каркас и закрепляет каталитический центр в дрожжах. Атомная структура человеческой сплайсосомы иллюстрирует компонент II этапа Slu7, принимающий расширенную структуру, готовую к выбору 3'-сайта сплайсинга. Все пять металлов (обозначенные как Mg2+) в дрожжевом комплексе сохраняются в человеческом комплексе. [ необходима ссылка ]

Альтернативный сплайсинг

Альтернативный сплайсинг (рекомбинация различных экзонов ) является основным источником генетического разнообразия у эукариот. Варианты сплайсинга использовались для объяснения относительно небольшого числа генов, кодирующих белок, в геноме человека , которое в настоящее время оценивается примерно в 20 000. Один конкретный ген Drosophila , Dscam , как предполагалось, альтернативно сплайсируется в 38 000 различных мРНК , предполагая, что все его экзоны могут сплайсироваться независимо друг от друга. [11]

Место сращивания

Первоначально было обнаружено, что факторы сплайсинга пре-мРНК концентрируются в ядерных тельцах, известных как ядерные спеклы. [12] Первоначально постулировалось, что ядерные спеклы являются либо сайтами сплайсинга мРНК, либо сайтами хранения факторов сплайсинга мРНК. Теперь понятно, что ядерные спеклы помогают концентрировать факторы сплайсинга вблизи генов, которые физически расположены близко к ним. Гены, расположенные дальше от спеклов, все еще могут транскрибироваться и сплайсироваться, но их сплайсинг менее эффективен по сравнению с генами, расположенными ближе к спеклам. [13] Сплайсинг РНК является биохимической реакцией, и, как и все биохимические реакции, его скорость зависит от концентрации ферментов и субстратов. В этом случае ферментами являются сплайсосомы, а субстратами являются пре-мРНК. Изменяя концентрацию сплайсосом и пре-мРНК в зависимости от их близости к ядерным спеклам, клетки потенциально могут регулировать эффективность сплайсинга. [13]

Сборка

Модель формирования активного сайта сплайсосомы включает упорядоченную, пошаговую сборку дискретных частиц snRNP на субстрате пре-мРНК. Первое распознавание пре-мРНК включает связывание U1 snRNP с 5'-концевым сайтом сплайсинга пре-мРНК и другими факторами, не связанными с snRNP, для формирования комплекса коммита или раннего (E) комплекса у млекопитающих. [14] [15] Комплекс коммита представляет собой АТФ-независимый комплекс, который коммитает пре-мРНК на путь сплайсинга. [16] U2 snRNP привлекается в область ветвления посредством взаимодействий с компонентом комплекса E U2AF (вспомогательный фактор U2 snRNP) и, возможно, U1 snRNP. В АТФ-зависимой реакции U2 snRNP тесно связывается с последовательностью точек ветвления (BPS), образуя комплекс A. Дуплекс, образованный между U2 snRNP и областью ветви пре-мРНК, выпячивает аденозин ветви, определяя его как нуклеофил для первой переэтерификации. [17]

Присутствие псевдоуридинового остатка в U2 snRNA, почти напротив места разветвления, приводит к измененной конформации дуплекса РНК-РНК при связывании U2 snRNP. В частности, измененная структура дуплекса, вызванная псевдоуридином, помещает 2' OH выпуклого аденозина в благоприятное положение для первого шага сплайсинга. [18] U4/U5/U6 tri-snRNP (см. Рисунок 1) привлекается к собирающейся сплайсосоме для формирования комплекса B, и после нескольких перестроек комплекс C активируется для катализа. [19] [20] Неясно, как tri-snRNP привлекается к комплексу A, но этот процесс может быть опосредован белок-белковыми взаимодействиями и/или взаимодействиями пар оснований между U2 snRNA и U6 snRNA. [ необходима цитата ]

U5 snRNP взаимодействует с последовательностями в 5'- и 3'-сайтах сплайсинга через инвариантную петлю U5 snRNA [21] , а компоненты белка U5 взаимодействуют с областью 3'-сайта сплайсинга. [22]

При рекрутировании три-мяРНП несколько перестроек РНК-РНК предшествуют первому каталитическому шагу, а дальнейшие перестройки происходят в каталитически активной сплайсосоме. Несколько взаимодействий РНК-РНК являются взаимоисключающими; однако неизвестно, что запускает эти взаимодействия, и каков порядок этих перестроек. Первая перестройка, вероятно, представляет собой смещение U1 мяРНП из 5'-сайта сплайсинга и образование взаимодействия U6 мяРНП. Известно, что U1 мяРНП слабо связан с полностью сформированными сплайсосомами [23] , а U1 мяРНП ингибирует образование взаимодействия сайта сплайсинга U6-5' на модели субстратного олигонуклеотида, содержащего короткий 5'-экзон и 5'-сайт сплайсинга. [24] Связывание U2 мяРНП с последовательностью точек ветвления (BPS) является одним из примеров взаимодействия РНК-РНК, вытесняющего взаимодействие белок-РНК. При привлечении U2 snRNP белок связывания ветви SF1 в комплексе присоединения смещается, поскольку сайт связывания U2 snRNA и SF1 являются взаимоисключающими событиями. [ необходима цитата ]

В пределах U2 snRNA существуют другие взаимоисключающие перестройки, которые происходят между конкурирующими конформациями. Например, в активной форме предпочтительна петля IIa; в неактивной форме преобладает взаимоисключающее взаимодействие между петлей и последовательностью ниже по течению. [20] Неясно, как U4 вытесняется из мяРНК U6, хотя РНК была вовлечена в сборку сплайсосомы и может функционировать для раскручивания U4/U6 и содействия образованию взаимодействия мяРНК U2/U6. Взаимодействия петель I и II стебля U4/U6 диссоциируют, и освобожденная область петли II стебля U6 складывается сама на себя, образуя внутримолекулярную петлю стебля, и U4 больше не требуется для дальнейшей сборки сплайсосомы. Освобожденная область петли I стебля U6 спаривается с мяРНК U2, образуя спираль I U2/U6. Однако структура спирали I является взаимоисключающей с 3'-половиной внутренней 5'-области петли стебля U2 snRNA. [ необходима ссылка ]

Малая сплайсосома

У некоторых эукариот есть вторая сплайсосома, так называемая малая сплайсосома . [25] Группа менее распространенных snRNAs, U11 , U12 , U4atac и U6atac , вместе с U5, являются субъединицами малой сплайсосомы, которая сплайсирует редкий класс пре-мРНК интронов, обозначенных как U12-тип. Малая сплайсосома расположена в ядре, как и ее основная копия, [26] хотя есть исключения в некоторых специализированных клетках, включая безъядерные тромбоциты [27] и дендроплазму ( дендритную цитоплазму) нейрональных клеток. [28]

Ссылки

  1. ^ ab Will CL, Lührmann R (июль 2011 г.). «Структура и функция сплайсосомы». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 3 (7): a003707. doi :10.1101/cshperspect.a003707. PMC 3119917.  PMID 21441581  .
  2. ^ ab Berget SM, Moore C, Sharp PA (август 1977 г.). «Сплайсированные сегменты на 5'-конце поздней мРНК аденовируса 2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 74 (8): 3171–5. Bibcode : 1977PNAS...74.3171B. doi : 10.1073/pnas.74.8.3171 . PMC 431482. PMID  269380 . 
  3. ^ Chow LT, Roberts JM, Lewis JB, Broker TR (август 1977 г.). «Карта транскриптов цитоплазматической РНК литического аденовируса типа 2, определенная с помощью электронной микроскопии гибридов РНК:ДНК». Cell . 11 (4): 819–36. doi :10.1016/0092-8674(77)90294-X. PMID  890740. S2CID  37967144.
  4. ^ Агафонов DE, Декерт J, Вольф E, Оденвальдлер P, Бессонов S, Уилл CL и др. (Июль 2011 г.). «Полуколичественный протеомный анализ человеческой сплайсосомы с помощью нового метода двумерного гель-электрофореза». Молекулярная и клеточная биология . 31 (13): 2667–82. doi :10.1128/mcb.05266-11. PMC 3133382. PMID  21536652 . 
  5. ^ Kuhn AN, van Santen MA, Schwienhorst A, Urlaub H, Lührmann R (январь 2009 г.). «Остановка сборки сплайсосомы на отдельных стадиях с помощью низкомолекулярных ингибиторов ацетилирования и деацетилирования белков». РНК . 15 (1): 153–75. doi :10.1261/rna.1332609. PMC 2612777. PMID  19029308 . 
  6. ^ Патил В., Канцонери Дж. К., Саматов ТР., Люрманн Р., Ойелере АК. (сентябрь 2012 г.). «Молекулярная архитектура цинк-хелатирующих малых молекул, которые ингибируют сборку сплайсосомы на ранней стадии». РНК . 18 (9): 1605–11. doi :10.1261/rna.034819.112. PMC 3425776. PMID  22832025 . 
  7. ^ Cate JH (март 2016 г.). «СТРУКТУРА. Большой взрыв в структурной биологии сплайсосомы». Science . 351 (6280): 1390–2. doi :10.1126/science.aaf4465. PMID  27013712. S2CID  206648185.
  8. ^ Häcker I, Sander B, Golas MM, Wolf E, Karagöz E, Kastner B и др. (ноябрь 2008 г.). «Локализация белков Prp8, Brr2, Snu114 и U4/U6 в три-snRNP дрожжей с помощью электронной микроскопии». Nature Structural & Molecular Biology . 15 (11): 1206–12. doi :10.1038/nsmb.1506. PMID  18953335. S2CID  22982227.
  9. ^ Yan C, Hang J, Wan R, Huang M, Wong CC, Shi Y (сентябрь 2015 г.). «Структура дрожжевой сплайсосомы при разрешении 3,6 ангстрема». Science . 349 (6253): 1182–91. Bibcode :2015Sci...349.1182Y. doi :10.1126/science.aac7629. PMID  26292707. S2CID  22194712.
  10. ^ Zhang X, Yan C, Hang J, Finci LI, Lei J, Shi Y (май 2017). «Атомная структура человеческой сплайсосомы». Cell . 169 (5): 918–929.e14. doi : 10.1016/j.cell.2017.04.033 . PMID  28502770.
  11. ^ Schmucker D, Clemens JC, Shu H, Worby CA, Xiao J, Muda M и др. (июнь 2000 г.). «Dscam дрозофилы — это рецептор управления аксоном, демонстрирующий необычайное молекулярное разнообразие». Cell . 101 (6): 671–84. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80878-8 . PMID  10892653.
  12. ^ Спектор DL, Ламонд AI (февраль 2011 г.). «Ядерные спеклы». Обзор. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 3 (2): a000646. doi :10.1101/cshperspect.a000646. PMC 3039535. PMID 20926517  . 
  13. ^ ab Bhat P, Chow A, Emert B, et al. (май 2024 г.). «Организация генома вокруг ядерных спеклов управляет эффективностью сплайсинга мРНК». Nature . 629 (5): 1165–1173. Bibcode :2024Natur.629.1165B. doi :10.1038/s41586-024-07429-6. PMC  11164319. PMID  38720076.
  14. ^ Jamison SF, Crow A, Garcia-Blanco MA (октябрь 1992 г.). «Путь сборки сплайсосомы в экстрактах млекопитающих». Молекулярная и клеточная биология . 12 (10): 4279–87. doi :10.1128/MCB.12.10.4279. PMC 360351. PMID  1383687 . 
  15. ^ Серафин Б., Росбаш М. (октябрь 1989 г.). «Идентификация функциональных комплексов U1 snRNA-pre-mRNA, ответственных за сборку и сплайсинг сплайсосомы». Cell . 59 (2): 349–58. doi :10.1016/0092-8674(89)90296-1. PMID  2529976. S2CID  18553973.
  16. ^ Легрейн П., Серафин Б., Росбаш М. (сентябрь 1988 г.). «Раннее присоединение дрожжевой пре-мРНК к сплайсосомному пути». Молекулярная и клеточная биология . 8 (9): 3755–60. doi :10.1128/MCB.8.9.3755. PMC 365433. PMID  3065622 . 
  17. ^ Запрос CC, Moore MJ, Sharp PA (март 1994). «Отбор нуклеофилов ветвей в сплайсинге пре-мРНК: доказательства в пользу модели выпуклого дуплекса». Гены и развитие . 8 (5): 587–97. doi : 10.1101/gad.8.5.587 . PMID  7926752.
  18. ^ Newby MI, Greenbaum NL (декабрь 2002 г.). «Скульптура мотива распознавания сплайсосомного участка ветви консервативным псевдоуридином». Nature Structural Biology . 9 (12): 958–65. doi :10.1038/nsb873. PMID  12426583. S2CID  39628664.
  19. ^ Burge CB, Tuschl T, Sharp PA (1999). «Сплайсирование предшественников мРНК сплайсосомами». В Gesteland RF, Cech TR, Atkins JF (ред.). Мир РНК . Cold Spring Harbor Lab. Press. стр. 525–60. ISBN 978-0-87969-380-0.
  20. ^ ab Staley JP, Guthrie C (февраль 1998). «Механические устройства сплайсосомы: моторы, часы, пружины и вещи». Cell . 92 (3): 315–26. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80925-3 . PMID  9476892.
  21. ^ Newman AJ, Teigelkamp S, Beggs JD (ноябрь 1995 г.). "взаимодействия мяРНК в 5'- и 3'-сайтах сплайсинга, контролируемые фотоактивированным сшиванием в дрожжевых сплайсосомах". РНК . 1 (9): 968–80. PMC 1369345 . PMID  8548661. Архивировано из оригинала 2005-02-23 . Получено 2008-03-07 . 
  22. ^ Chiara MD, Palandjian L, Feld Kramer R, Reed R (август 1997 г.). «Доказательства того, что U5 snRNP распознает 3'-сайт сплайсинга для каталитического шага II у млекопитающих». The EMBO Journal . 16 (15): 4746–59. doi :10.1093/emboj/16.15.4746. PMC 1170101 . PMID  9303319. 
  23. ^ Moore MJ, Sharp PA (сентябрь 1993 г.). «Доказательства наличия двух активных участков в сплайсосоме, полученные с помощью стереохимии сплайсинга пре-мРНК». Nature . 365 (6444): 364–8. Bibcode :1993Natur.365..364M. doi :10.1038/365364a0. PMID  8397340. S2CID  4361512.
  24. ^ Konforti BB, Koziolkiewicz MJ, Konarska MM (декабрь 1993 г.). «Нарушение спаривания оснований между 5'-сайтом сплайсинга и 5'-концом U1 snRNA необходимо для сборки сплайсосомы». Cell . 75 (5): 863–73. doi :10.1016/0092-8674(93)90531-T. PMID  8252623.
  25. ^ Patel AA, Steitz JA (декабрь 2003 г.). «Двойной сплайсинг: взгляд со второй сплайсосомы». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 4 (12): 960–70. doi :10.1038/nrm1259. PMID  14685174. S2CID  21816910.
  26. ^ Pessa HK, Will CL, Meng X, Schneider C, Watkins NJ, Perälä N, et al. (июнь 2008 г.). «Незначительные компоненты сплайсосомы преимущественно локализованы в ядре». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (25): 8655–60. doi : 10.1073/pnas.0803646105 . PMC 2438382. PMID  18559850 . 
  27. ^ Denis MM, Tolley ND, Bunting M, Schwertz H, Jiang H, Lindemann S и др. (август 2005 г.). «Выход за пределы ядра: зависимый от сигнала сплайсинг пре-мРНК в безъядерных тромбоцитах». Cell . 122 (3): 379–91. doi :10.1016/j.cell.2005.06.015. PMC 4401993 . PMID  16096058. 
  28. ^ Glanzer J, Miyashiro KY, Sul JY, Barrett L, Belt B, Haydon P и др. (ноябрь 2005 г.). «Возможность сплайсинга РНК живых нейрональных дендритов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (46): 16859–64. Bibcode : 2005PNAS..10216859G. doi : 10.1073/pnas.0503783102 . PMC 1277967. PMID  16275927 . 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Сплайсосомы» .