alternativ splejsning
Spliceosomer
splejsning af introner
andre splejsningshændelser
rekombinant DNA-teknologi
anvendelser af gensplejsning
ressourcer
gener er DNA-sekvenser, der koder for protein. Gen splejsning er en form for genteknologi, hvor specifikke gener eller gensekvenser indsættes i genomet af en anden organisme. Gensplejsning kan også specifikt henvise til et trin under behandlingen af deoksyribonukleinsyre (DNA) for at forberede det til at blive oversat til protein.
Gensplitning kan også anvendes på molekylærbiologiske teknikker, der sigter mod at integrere forskellige DNA-sekvenser eller gen i cellernes DNA. Individuelle gener koder for specifikke proteiner, og baseret på resultatet af det humane genomprojekt anslås det, at der er cirka 30.000 gener i hver celle i den menneskelige krop. Fordi de cellulære funktioner i forskellige væv har forskellige formål, gennemgår generne en kompleks samordnet indsats for at opretholde det passende niveau af genekspression på en vævsspecifik måde. For eksempel kræver muskelceller specifikke proteiner for at fungere, og disse proteiner adskiller sig bemærkelsesværdigt fra proteiner i hjerneceller. Selvom den genetiske information for det meste er den samme i begge celletyper, resulterer de forskellige funktionelle formål i forskellige cellulære behov, og derfor produceres forskellige proteiner i forskellige vævstyper.
gener udtrykkes ikke uden de rette signaler. Mange gener kan forblive inaktive. Med den passende stimulering af genekspression kan cellen producere forskellige proteiner. DNA ‘ et skal først behandles til en form, som andre molekyler i cellen kan genkende og oversætte det til det passende protein. Før DNA kan omdannes til protein, skal det transkriberes til ribonukleinsyre (RNA). Der er tre trin i RNA modning; splejsning, capping og polyadenylering. Hvert af disse trin er involveret i forberedelsen af det nyoprettede RNA, kaldet RNA-transkriptet, så det kan forlade kernen uden at blive nedbrudt. Med hensyn til genekspression er splejsning af RNA det trin, hvor gensplitning forekommer i denne sammenhæng på specifikke steder i hele genet. De områder af genet, der er splejset ud, repræsenterer ikke-kodende regioner, der er mellemliggende sekvenser, også kendt som introner. DNA ‘ et, der forbliver i det forarbejdede RNA, kaldes de kodende regioner, og hver kodende region af genet er kendt som eksoner. Derfor er introner mellemliggende sekvenser mellem eksoner, og gensplitning indebærer udskæring af introner og sammenføjning af eksoner. Derfor vil den endelige sekvens være kortere end det oprindelige kodende gen eller DNA-sekvens.
for at forstå den rolle, splejsning spiller i, hvordan gener udtrykkes, er det vigtigt at forstå, hvordan et gen ændrer sig til dets funktionelle form. Oprindeligt kaldes RNA precursor RNA (eller præ-RNA). Pre-RNA ‘er modificeres derefter yderligere til andre RNA’ er kaldet transfer RNA (tRNA), ribosomalt RNA (rRNA) eller messenger RNA (mRNA). mRNA ‘er koder for proteiner i en proces kaldet translation, mens de andre RNA’ er er vigtige for at hjælpe mRNA ‘ et med at blive oversat til protein. RNA-splejsning skaber funktionelle RNA-molekyler fra præ-RNA ‘ erne.
Splejsning forløber normalt på en forudbestemt måde for hvert gen. Eksperimenter, der har stoppet transkriptionsdannelse med forskellige tidsintervaller, viser, at splejsning vil følge en større vej, der begynder med en eller anden intron og fortsætter selektivt til en anden, ikke nødvendigvis tilstødende intron. Selvom andre veje kan følges, har hvert transkript sin egen primære sekvens til intronudskæring.
alternativ splejsning
et enkelt gen kan behandles for at skabe adskillige genprodukter eller proteiner, og denne proces kaldes alternativ splejsning. I dette tilfælde forbliver en anden kombination af eksoner i det forarbejdede RNA. Alternativ gensplitning på forskellige intron-ekson-steder i et gen kan bruges til at skabe flere proteiner fra det samme præ-RNA-molekyle. Proteiner består af flere domæner. Forskellige eksoner kan kode for forskellige domæner. Selektiv splejsning kan fjerne uønskede eksoner såvel som introner. Kombinationerne af proteiner, der kan fremstilles ved alternativ splejsning, er relateret i struktur eller funktion, men er ikke identiske. Ved at bruge et enkelt gen til at skabe flere proteiner kan cellerne DNA udnyttes mere effektivt.
alternativ splejsning kan være vævsspecifik, således at forskellige proteiner fremstilles af det samme originale gen af to eller flere forskellige celletyper. Eller en celletype kan lave flere konfigurationer ved hjælp af det samme gen. For eksempel producerer en type immuncelle kaldet en B-celle antistoffer mod adskillige antigener. Antigener er fremmede stoffer, som udløser immunresponser og antistoffer binder og antigener, så de kan nedbrydes og fjernes. Selvom et uendeligt antal antistoffer kan produceres, falder alle antistoffer i en af fem basale undertyper. Alternativ splejsning bruges til at skabe disse fem antistoftyper fra det samme gen.
antistoffer består af flere immunoglo-bulin (ig) molekyler. Disse molekyler har igen flere domæner. Et bestemt domæne kaldet den tunge kædekonstantregion skelner mellem de fem antistofundertyper, kaldet IgM, IgD, IgG, IgE og IgA. De forskellige typer antistoffer tjener forskellige funktioner i kroppen og virker i forskellige kropsvæv. For eksempel udskilles Iga ‘er i mave-tarmslimhinden, og IgG’ er passerer gennem moderkagen. Genet, der koder for disse tunge kædeområder, indeholder eksoner, der styrer produktionen af individuelle undertyper, og genet splejses skiftevis for at give et endeligt mRNA-transkript, som kan gøre en af dem.
de fleste gener giver kun et transkript; gener, der giver flere transkripter, har imidlertid adskillige cellulære og udviklingsmæssige roller. Alternativ splejsning kontrol køn bestemmelse i Drosophila melanogaster fluer. Og en række proteiner udtrykkes differentielt fra det samme gen i forskellige celler. Forskellige muskelceller bruger alternativ splejsning til at skabe cellespecifikke myosinproteiner. Og embryonale celler i forskellige udviklingsstadier producerer flere former for proteinet, retinsyre. Nogle udskrifter adskiller sig fra relaterede udskrifter i 5′ – enden, og andre kan variere i 3′ – enden.
Spliceosomer
molekylerne eller molekylære komplekser, der faktisk splejser RNA i den cellulære kerne, kaldes spliceosomer. Spliceosomer er lavet af små sekvenser af RNA ‘ er bundet af yderligere små proteiner. Dette spliceosomkompleks genkender bestemte nukleotidsekvenser ved intron-ekson-grænsen. DNA og RNA er begge generelt læses i 5’ til 3 ‘ retning. Denne betegnelse er lavet på basis af phospho-diesterbindingerne, som udgør rygraden i DNA-og RNA-tråde. Introner skæres først i deres 5 ‘ende og derefter i deres 3’ ende. De to tilstødende eksoner bindes derefter sammen uden intronen. Spliceosomet er et kompleks, der udfører hvert af disse trin langs præ-RNA for at fjerne introner.
de små RNA ‘er, der udgør spliceosomet, er ikke mRNA’ er, rRNA ‘er eller tRNA’ er; de er små nukleare RNA ‘er (snRNA’ er). snrna ‘ er er til stede i meget lave koncentrationer i kernen. Snrna ‘ erne kombineres med proteiner til at omfatte små nukleare ribo-nukleareproteinpartikler. Flere snrnp ‘ er aggregeres for at danne et spliceosom. Denne sekundære struktur genkender flere nøgleområder i intron og ved intron-ekson-grænsen. I det væsentlige spiller snrnp ‘ er en katalytisk splejsningsrolle. Fraværet af individuelle snRNP-komponenter kan hæmme splejsning. snrnp ‘ er er kun et af mange komplekser, der kan regulere genekspression.
ud over snrnp ‘ er har nogle introner auto (self) splejsningsfunktioner. Disse introner kaldes gruppe II introner. Gruppe II introner findes i nogle mitokondrie gener, som kommer fra et genom, der er adskilt fra kernen og er placeret i små rum i cellen kaldet mitokondrier. Mitochrondria fungerer til at levere energi til cellerne energibehov. Selvom alt kromosomalt DNA er placeret i kernen, er nogle få gener placeret i cellerne mitokondrier. Gruppe II-introner danner sekundære strukturer ved hjælp af deres interne intronregion på samme måde som nukleare introner. Imidlertid, disse mitokondrielle introner direkte ekson-ekson genindtræder af sig selv uden snrnp ‘ er.
splejsning af introner
forskellige splejsningssignalsekvenser er universelle og findes inden for hvert intronsted splejset, mens nogle signalsekvenser er unikke for individuelle gener. DNA består af baser kaldet nukleotider, som repræsenterer DNA-alfabetet. Der er fire baser, adenin (a), guanin (G), thymin (T) og cytosin (C). De fleste introner i højere livsformer begynder med nukleotidsekvensen G-T og slutter med sekvensen A-G. sekvenserne definerer intronens “venstre” (5′) og “højre” (3′) grænser og beskrives som i overensstemmelse med GT-AG-reglen. Mutationer i nogen af disse fire positioner producerer introner, der ikke kan fjernes ved normale splejsningsmekanismer. Inden for intronen er en anden stærkt konserveret sekvens, der har en vis variation i generne af en art; denne region (kaldet grenstedet) er det område, der forbinder til 5′ – enden af intronen, når den skæres og derefter krøller sig rundt for at danne en lariat-form. Denne lariat er en sløjfe i intronen, som dannes, når den fjernes fra det modne RNA.
andre splejsningshændelser
Splejsning kan også involvere andre molekyler end mRNA. tRNA ‘ er, som spiller en afgørende rolle for at tilpasse aminosyrer langs et protein, der syntetiseres, kan gennemgå splejsning. tRNA ‘ er er kodet af DNA bare
nøglebegreber
antistof —et molekyle skabt af immunsystemet som reaktion på tilstedeværelsen af et antigen (et fremmed stof eller partikel). Det markerer fremmede mikroorganismer i kroppen til destruktion af andre immunceller.
Antigen —et molekyle, normalt et protein, som kroppen identificerer som fremmed og mod hvilket det styrer et immunrespons.
Capping —en ændring til 5′ slutningen af et modent mRNA-transkript.
cytoplasma —alle protoplasma i en levende celle, der er placeret uden for kernen, som adskiller sig fra nukleoplasma, som er protoplasma i kernen.
DEOKSYRIBONUKLEINSYRE (DNA) —det genetiske materiale i en celle.
Eksoner —regionerne af DNA, der koder for et protein eller danner tRNA eller mRNA.
Gen —en diskret arvsenhed, repræsenteret af en del af DNA placeret på et kromosom. Genet er en kode til produktion af en bestemt type protein-eller RNA-molekyle og derfor for en specifik arvelig egenskab.
genom —det komplette sæt gener, som en organisme bærer.
introner —ikke-kodende sekvenser i et gen, der splejses ud under RNA-behandling.
mitokondrier —intracellulær organel, der er adskilt fra kernen, har sit eget genom og er vigtigt for at producere energi til forskellige væv.
Polyadenylering —en ændring af 3′ – slutningen af et modent mRNA-transkript.
rekombinant DNA —DNA, der skæres ved hjælp af specifikke stoffer, således at et gen eller en DNA-sekvens kan indsættes.
Splicesome —det intracellulære maskineri, der behandler RNA ved at fjerne introner fra sekvensen.
ligesom alle andre RNA-molekyler. TRNA ‘ er har imidlertid en unik struktur og funktion, der adskiller sig fra andre RNA-molekyler, idet de er ansvarlige for at matche de faktiske proteinbyggesten (aminosyrer) fra den kodede nukleotidsekvens for at opbygge et protein eller polypeptid. Da disse specialiserede RNA ‘ er har unikke konformationer, adskiller de, der slutter sig til eksoner efter intronfjernelse, sig fra dem, der slutter sig til introner i andre RNA-molekyler. Mens introner fjernes, og eksoner er forbundet, er de ikke de samme som dem, der anvendes til mRNA-behandling. Intronfjernelse i tRNA-behandling er mindre afhængig af interne intronsekvenser sammenlignet med andre RNA-introner.
rekombinant DNA-teknologi
fremskridt med at forstå de mekanismer, der beskriver, hvordan gensplitning forekommer, har ført til forskernes evne til at skære og anneale nukleotidsekvenser, også kaldet rekombinant DNA-teknologi. Da splejsning bogstaveligt betyder sammenføjning af separate ender, henviser gensplitning til sammenføjning af næsten alle nukleotidsekvenser for at skabe et nyt genprodukt eller for at introducere en ny gensekvens. Derfor kunne næsten enhver genetisk sekvens splejses i en anden sekvens.
visse former for restriktion anvendes i laboratorier til at splejse, forbinde (eller ligere) og fjerne eller tilføje nukleotider til sekvenser. Restriktion anvendes i rekombinant DNA-teknologi til at fjerne og indsætte genetiske sekvenser fra og ind i andre sekvenser. Denne teknologi har gjort det muligt for nogle bioteknologiske og farmaceutiske virksomheder at fremstille store mængder essentielle proteiner til medicinske og forskningsformål. For eksempel kan et humant insulinprotein fremstilles i stor forsyning ved at indsætte insulingenet i bakteriens genom, for eksempel for at producere store mængder af proteinet. Ligesom en fotokopimaskine kan sådanne sekvenser producere masser af insulin til diabetikere, der ikke er i stand til at fremstille nok insulin alene. Disse patienter kan derefter selv injicere det rensede insulin til behandling af deres sygdom.
anvendelser af gensplejsning
ved hjælp af gensplejsningsteknologi er der produceret vacciner. DNA fra en virus kan splejses ind i genomet af en harmløs stamme af bakteriestamme. Når bakterierne producerede det virale protein, kan dette protein høstes. Da bakterier vokser hurtigt og nemt, kan en stor mængde af dette protein ekstraheres, renses og anvendes som vaccine. Det indføres i et individ ved injektion, hvilket vil fremkalde et immunrespons. Når en person er inficeret med en virus ved naturlig eksponering, kan et hurtigt immunrespons initieres på grund af den indledende inokulation. En anden anvendelse af genspicingsteknologi er relateret til genet involveret i vitamin B-produktion. Dette gen er blevet fjernet fra en gulerødder genom og splejset ind i genomet af ris. Den genetisk manipulerede rekombinante risstamme er derfor modificeret til at producere vitamin B. Dette kan have mange sundhedsrelaterede fordele, især i tredjelande, der er afhængige af ris som en vigtig fødekilde og ikke har adgang til fødekilder rig på vitaminer.
Gensplejsningsteknologi giver derfor forskere mulighed for at indsætte nye gener i det eksisterende genetiske materiale i et organismegenom, så hele træk, fra sygdomsresistens over for vitaminer, og kan kopieres fra en organisme og overføres en anden.
ressourcer
bøger
Hall, Stephen og James. Usynlige grænser: løbet om at syntetisere et humant gen. University Press, 2002.
Keller, Evelyn Ræv. Genets århundrede. Boston: Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Regning. Middag på den nye Gene Cafe: hvordan genteknologi ændrer, hvad vi spiser, hvordan vi lever, og den globale politik for mad. St. Martin ‘ s Press, 2002.
Louise Dickerson