В молекулярной биологии и генетике смысл молекулы нуклеиновой кислоты , особенно цепи ДНК или РНК , относится к природе роли цепи и ее комплемента в определении последовательности аминокислот . [ нужна цитация ] В зависимости от контекста смысл может иметь несколько разные значения. Например, цепь ДНК с отрицательным смыслом эквивалентна цепи матрицы, тогда как цепь с положительным смыслом представляет собой нематрицную цепь, 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 обратно комплементарны друг другу. Чтобы помочь молекулярным биологам точно идентифицировать каждую цепь индивидуально, две цепи обычно различают как «смысловую» цепь и «антисмысловую» цепь. Отдельная цепь ДНК называется положительно-смысловой (также положительной (+) или просто смысловой ), если ее нуклеотидная последовательность непосредственно соответствует последовательности транскрипта РНК , который транслируется или транслируется в последовательность аминокислот (при условии, что любая основания тимина в последовательности ДНК заменяются основаниями урацила в последовательности РНК). Другая цепь двухцепочечной молекулы ДНК называется отрицательно-смысловой (также отрицательной (-) или антисмысловой ) и обратно комплементарна как положительной смысловой цепи, так и транскрипту РНК. На самом деле именно антисмысловая цепь используется в качестве матрицы, из которой РНК-полимеразы конструируют транскрипт РНК, но комплементарное спаривание оснований, посредством которого происходит полимеризация нуклеиновой кислоты, означает, что последовательность транскрипта РНК будет выглядеть идентично положительной смысловой цепи. , за исключением использования транскрипта РНК урацила вместо тимина.
Иногда фразы, кодирующие цепь и матричную цепь, встречаются вместо смыслового и антисмыслового соответственно, и в контексте двухцепочечной молекулы ДНК использование этих терминов по существу эквивалентно. Однако кодирующая/смысловая цепь не всегда должна содержать код, используемый для образования белка; Транскрибироваться могут как белок-кодирующие, так и некодирующие РНК .
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 действует как матричная цепь для разных транскриптов РНК в разных местах 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 чтения ожидаемой последовательности кодонов , которая в конечном итоге будет использоваться во время трансляции (синтеза белка) для построения аминокислотной последовательности, а затем и 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 матрицы для мРНК; именно антисмысловая цепь ДНК служит источником белкового кода, поскольку благодаря основаниям, комплементарным смысловой цепи ДНК, она используется в качестве матрицы для мРНК. Поскольку в результате транскрипции образуется продукт РНК, комплементарный цепи матрицы ДНК, мРНК комплементарна антисмысловой цепи ДНК.
Следовательно, в качестве матрицы используется триплет оснований 3'-TAC-5' в антисмысловой цепи ДНК (комплементарный 5'-ATG-3' смысловой цепи ДНК), в результате чего образуется 5'-AUG-3'. триплет оснований мРНК. Смысловая цепь ДНК будет иметь триплет ATG, который похож на триплет мРНК AUG, но не будет использоваться для образования метионина, поскольку он не будет использоваться непосредственно для создания мРНК. Смысловая цепь ДНК называется «смысловой» цепью не потому, что она будет использоваться для образования белка (это не так), а потому, что ее последовательность напрямую соответствует последовательности кодонов РНК. Следуя этой логике, сам транскрипт РНК иногда называют «смысловым».
Некоторые области внутри двухцепочечной молекулы ДНК кодируют гены , которые обычно представляют собой инструкции, определяющие порядок сборки аминокислот для образования белков, а также регуляторные последовательности, сайты сплайсинга , некодирующие интроны и другие генные продукты . Чтобы клетка могла использовать эту информацию, одна цепь ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи РНК . Транскрибируемая цепь ДНК с антисмысловой последовательностью называется матричной цепью, а полученный из нее транскрипт мРНК называется смысловой последовательностью (дополняющей антисмысловую последовательность). Говорят, что нетранскрибируемая цепь ДНК, комплементарная транскрибируемой цепи, имеет смысловую последовательность; он имеет ту же смысловую последовательность, что и транскрипт мРНК (хотя основания Т в ДНК заменены основаниями U в РНК).
Имена, присвоенные каждой цепи, на самом деле зависят от того, в каком направлении вы пишете последовательность, содержащую информацию о белках («смысловая» информация), а не от того, какая цепь изображена «сверху» или «снизу» (что означает «смысловую» информацию). является произвольным). Единственная биологическая информация, которая важна для маркировки цепей, - это относительное расположение концевой 5'-фосфатной группы и концевой 3'-гидроксильной группы (на концах рассматриваемой цепи или последовательности), поскольку эти концы определяют направление транскрипции и перевод. Последовательность, записанная 5'-CGCTAT-3', эквивалентна последовательности, записанной 3'-TATCGC-5', при условии, что отмечены 5'- и 3'-концы. Если концы не помечены, принято считать, что обе последовательности записаны в направлении от 5’ к 3’. «Ничь Ватсона» относится к верхней нити от 5’ до 3’ (5’→3’), тогда как «цепь Крика» относится к нижней цепи от 5’ к 3’ (3’ ←5’). [4] Нити Уотсона и Крика 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) центромеры левой руки ( L) дрожжевой (Y) хромосомы номер V (E) и что цепь, кодирующая экспрессию, представляет собой цепь Ватсона (W). «YKL074C» обозначает 74-ю ORF слева от центромеры хромосомы XI и что кодирующей цепью является цепь Крика (C). Также широко используется другой сбивающий с толку термин, обозначающий «Плюс» и «Минус». Независимо от того, является ли цепь смысловой (положительной) или антисмысловой (отрицательной), последовательность запроса по умолчанию при выравнивании NCBI BLAST — это «Плюсовая» цепь.
Одноцепочечный геном, который используется как в положительном, так и в отрицательном смысле, называется амбисенсом . Некоторые вирусы имеют двойственные геномы. Буньявирусы имеют три фрагмента одноцепочечной РНК (оцРНК), некоторые из них содержат участки как с положительным, так и с отрицательным смыслом; аренавирусы также представляют собой оцРНК-вирусы с амбисенсным геномом, поскольку они имеют три фрагмента, которые в основном имеют отрицательный смысл, за исключением части 5'-концов большого и малого сегментов их генома.
Последовательность РНК, комплементарную 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 интерференцией РНК . Клетки могут естественным образом вырабатывать антисмысловые молекулы РНК, называемые микроРНК , которые взаимодействуют с комплементарными молекулами мРНК и ингибируют их экспрессию . Эта концепция также использовалась в качестве метода молекулярной биологии путем искусственного введения трансгена , кодирующего антисмысловую РНК, с целью блокирования экспрессии интересующего гена. Радиоактивно или флуоресцентно меченная антисмысловая РНК может использоваться для определения уровня транскрипции генов в различных типах клеток.
Некоторые альтернативные антисмысловые структурные типы были экспериментально применены в качестве антисмысловой терапии . В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило фосфоротиоатные антисмысловые олигонуклеотиды фомивирсен (Витравен) [5] и мипомерсен (Кинамро) [6] для терапевтического применения у людей.
В вирусологии термин «смысл» имеет несколько иное значение. Можно сказать, что геном РНК-вируса имеет либо положительный смысл , также известный как «плюс-цепь», либо отрицательный смысл , также известный как «минус-цепь». В большинстве случаев термины «смысл» и «цепь» используются как взаимозаменяемые, в результате чего такие термины, как «положительная цепь», эквивалентны «положительному смыслу», а «плюс-цепь» эквивалентны «плюс-смыслу». Независимо от того, является ли вирусный геном положительным или отрицательным, можно использовать в качестве основы для классификации вирусов.
Вирусная РНК с положительным смыслом ( 5'- к- 3' ) означает, что определенная последовательность вирусной РНК может быть непосредственно транслирована в вирусные белки (например, те, которые необходимы для репликации вируса). Следовательно, в вирусах с РНК с положительным смыслом геном вирусной РНК можно рассматривать как вирусную мРНК и может быть немедленно транслирован клеткой-хозяином. В отличие от РНК с отрицательным смыслом, РНК с положительным смыслом имеет тот же смысл, что и мРНК. Некоторые вирусы (например, Coronaviridae ) имеют геномы с положительным смыслом, которые могут действовать как мРНК и использоваться непосредственно для синтеза белков без помощи комплементарного промежуточного РНК. По этой причине этим вирусам не требуется наличие РНК-полимеразы , упакованной в вирион — РНК-полимераза будет одним из первых белков, вырабатываемых клеткой-хозяином, поскольку она необходима для репликации генома вируса.
Вирусная РНК с отрицательным смыслом (от 3' до 5') комплементарна вирусной мРНК, поэтому перед трансляцией из нее с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы должна быть продуцирована РНК с положительным смыслом. Как и ДНК, РНК с отрицательным смыслом имеет нуклеотидную последовательность, комплементарную мРНК, которую она кодирует; Как и ДНК, эта РНК не может быть транслирована в белок напрямую. Вместо этого его сначала необходимо транскрибировать в РНК с положительным смыслом, которая действует как мРНК. Некоторые вирусы (например, вирусы гриппа ) имеют геномы с отрицательным смыслом и поэтому должны нести РНК-полимеразу внутри вириона.
Сайленсинга генов можно добиться путем введения в клетки короткого «антисмыслового олигонуклеотида», комплементарного 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 потенциально для клинического применения ( антисмысловая терапия ). [8] Некоторые вирусы, такие как вирусы гриппа [9] [10] [11] [12] Респираторно-синцитиальный вирус (РСВ) [9] и коронавирус атипичной пневмонии (SARS-CoV) [9] были нацелены с использованием антисмысловых олигонуклеотидов для ингибируют их репликацию в клетках-хозяевах.
Если антисмысловой олигонуклеотид содержит участок ДНК или миметик ДНК (фосфоротиоатная ДНК, 2'F-ANA или другие), он может задействовать РНКазу H для разрушения целевой РНК. Это делает механизм молчания генов каталитическим. Двухцепочечная РНК также может действовать как каталитический фермент-зависимый антисмысловой агент через путь РНКи / миРНК , включающий распознавание целевой мРНК посредством спаривания смысловой и антисмысловой цепи с последующей деградацией целевой мРНК с помощью РНК-индуцированного комплекса молчания (RISC). Плазмидная система hok/sok R1 представляет собой еще один пример фермент-зависимого процесса антисмысловой регуляции посредством ферментативной деградации образующегося РНК-дуплекса.
Другие антисмысловые механизмы не являются фермент-зависимыми, но включают стерическое блокирование РНК-мишени (например, для предотвращения трансляции или для индукции альтернативного сплайсинга). В механизмах стерической блокировки антисмысловых механизмов часто используются сильно модифицированные олигонуклеотиды. Поскольку нет необходимости в распознавании РНКазы H, это может включать такие химические соединения, как 2'-O-алкил, пептидно-нуклеиновая кислота (PNA), заблокированная нуклеиновая кислота (LNA) и олигомеры морфолино .