splicing alternativ
Spliceosomes
Splicing out introni
alte evenimente de splicing
tehnologie ADN Recombinant
aplicații de splicing gene
resurse
genele sunt secvențe de ADN care codifică proteinele. Îmbinarea genelor este o formă de inginerie genetică în care genele specifice sau secvențele genetice sunt inserate în genomul unui organism diferit. Îmbinarea genelor se poate referi, de asemenea, în mod specific la o etapă în timpul procesării acidului dezoxiribonucleic (ADN) pentru a-l pregăti pentru a fi tradus în proteine.
îmbinarea genelor poate fi aplicată și tehnicilor de biologie moleculară care vizează integrarea diferitelor secvențe de ADN sau gene în ADN-ul celulelor. Genele individuale codifică proteine specifice și, pe baza rezultatului proiectului genomului uman, se estimează că există aproximativ 30.000 de gene în fiecare celulă a corpului uman. Deoarece funcțiile celulare din diferite țesuturi au scopuri diferite, genele suferă un efort concertat complex pentru a menține nivelul adecvat de exprimare a genelor într-o manieră specifică țesutului. De exemplu, celulele musculare necesită proteine specifice pentru a funcționa, iar aceste proteine diferă remarcabil de proteinele din celulele creierului. Deși informațiile genetice sunt, în cea mai mare parte, aceleași în ambele tipuri de celule, diferitele scopuri funcționale au ca rezultat nevoi celulare diferite și, prin urmare, diferite proteine sunt produse în diferite tipuri de țesuturi.
genele nu sunt exprimate fără semnalele corespunzătoare. Multe gene pot rămâne inactive. Cu stimularea adecvată a expresiei genelor, celula poate produce diferite proteine. ADN-ul trebuie mai întâi prelucrat într-o formă pe care alte molecule din celulă o pot recunoaște și traduce în proteina adecvată. Înainte ca ADN-ul să poată fi transformat în proteine, acesta trebuie transcris în acid ribonucleic (ARN). Există trei etape în maturarea ARN-ului; îmbinarea, plafonarea și poliadenilarea. Fiecare dintre acești pași sunt implicați în pregătirea ARN-ului nou creat, numit transcriere ARN, astfel încât să poată ieși din nucleu fără a fi degradat. În ceea ce privește expresia genelor, îmbinarea ARN este etapa în care îmbinarea genelor are loc în acest context în locații specifice din întreaga genă. Zonele genei care sunt îmbinate reprezintă regiuni necodificate care intervin secvențe cunoscute și sub numele de introni. ADN-ul care rămâne în ARN-ul procesat este denumit regiuni de codificare și fiecare regiune de codificare a genei este cunoscută sub numele de exoni. Prin urmare, intronii intervin secvențe între exoni și îmbinarea genelor implică excizia intronilor și unirea exonilor. Prin urmare, secvența finală va fi mai scurtă decât secvența originală de codificare a genei sau ADN-ului.
pentru a aprecia rolul pe care îl joacă îmbinarea în modul în care sunt exprimate genele, este important să înțelegem cum se schimbă o genă în forma sa funcțională. Inițial, ARN se numește ARN precursor (sau pre-ARN). Pre-ARN-urile sunt apoi modificate în continuare la alte ARN-uri numite ARN de transfer (Arnt), ARN ribozomal (ARNr) sau ARN mesager (ARNm). ARNm codifică proteinele într-un proces numit traducere, în timp ce celelalte ARN-uri sunt importante pentru a ajuta ARNm să fie tradus în proteine. Îmbinarea ARN creează molecule funcționale de ARN din pre-ARN.
îmbinarea se desfășoară de obicei într-un mod predeterminat pentru fiecare genă. Experimentele care au oprit formarea transcrierii la diferite intervale de timp arată că îmbinarea va urma o cale majoră începând cu un intron și procedând selectiv la un alt intron, nu neapărat adiacent. Deși pot fi urmate alte căi, fiecare transcriere are propria secvență primară pentru excizia intronului.
splicing alternativ
o singură genă poate fi procesată pentru a crea numeroase produse genetice sau proteine și acest proces este denumit splicing alternativ. În acest caz, o combinație diferită de exoni rămâne în ARN-ul prelucrat. Îmbinarea alternativă a genelor la diferite site-uri intron-exon din cadrul unei gene poate fi utilizată pentru a crea mai multe proteine din aceeași moleculă pre-ARN. Proteinele sunt alcătuite din mai multe domenii. Exonii diferiți pot codifica diferite domenii. Îmbinarea selectivă poate elimina exonii nedoriți, precum și intronii. Combinațiile de proteine care pot fi produse din îmbinarea alternativă sunt legate în structură sau funcție, dar nu sunt identice. Prin utilizarea unei singure gene pentru a crea mai multe proteine, ADN-ul celulelor poate fi utilizat mai eficient.
îmbinarea alternativă poate fi specifică țesutului, astfel încât diferite proteine sunt fabricate din aceeași genă originală de două sau mai multe tipuri de celule diferite. Sau un tip de celulă poate face mai multe configurații folosind aceeași genă. De exemplu, un tip de celulă imună numită celulă B produce anticorpi la numeroase antigene. Antigenii sunt substanțe străine, care declanșează răspunsuri imune, iar anticorpii se leagă și antigeni, astfel încât să poată fi descompuși și îndepărtați. Deși se poate produce un număr infinit de anticorpi, toți anticorpii se încadrează într-unul din cele cinci subtipuri de bază. Îmbinarea alternativă este utilizată pentru a crea aceste cinci tipuri de anticorpi din aceeași genă.
anticorpii sunt alcătuiți din molecule multiple de imunoglo-bulină (Ig). La rândul lor, aceste molecule au mai multe domenii. Un domeniu particular numit regiunea constantă a lanțului greu distinge cele cinci subtipuri de anticorpi, numite IgM, IgD, IgG, IgE și IgA. Diferitele tipuri de anticorpi servesc diferite funcții în organism și acționează în țesuturi distincte ale corpului. De exemplu, IgAs sunt secretate în mucoasa gastrointestinală, iar IgGs trece prin placentă. Gena care codifică aceste regiuni cu lanț greu conține exoni care direcționează producția de subtipuri individuale, iar gena este îmbinată alternativ pentru a produce o transcriere finală a ARNm, care poate face oricare dintre ele.
majoritatea genelor produc o singură transcriere; cu toate acestea, genele care produc transcrieri multiple au numeroase roluri celulare și de dezvoltare. Îmbinarea alternativă controlează determinarea sexului în muștele Drosophila melanogaster. Și un număr de proteine sunt exprimate diferențiat de aceeași genă în diferite celule. Diferitele celule musculare folosesc îmbinarea alternativă pentru a crea proteine de miozină specifice celulelor. Și celulele embrionare în diferite stadii de dezvoltare produc mai multe forme ale proteinei, acidul retinoic. Unele transcrieri diferă de transcrierile conexe la sfârșitul 5′, iar altele pot varia la sfârșitul 3′.
Spliceozomi
moleculele sau complexele moleculare care lipesc de fapt ARN în nucleul celular se numesc spliceozomi. Spliceozomii sunt alcătuiți din secvențe mici de ARN-uri legate de proteine mici suplimentare. Acest complex spliceozom recunoaște anumite secvențe de nucleotide la limita intron-exon. ADN – ul și ARN-ul sunt citite în general în direcția 5′ la 3′. Această desemnare se face pe baza legăturilor fosfo-diesterice, care alcătuiesc coloana vertebrală a catenelor ADN și ARN. Intronii sunt mai întâi tăiați la capătul lor de 5′ și apoi la capătul lor de 3′. Cei doi exoni adiacenți sunt apoi legați împreună fără intron. Spliceozomul este un complex enzimatic care efectuează fiecare dintre acești pași de-a lungul pre-ARN pentru a elimina intronii.
ARN-urile mici care alcătuiesc spliceozomul nu sunt ARNm, ARNr sau Arnt; sunt ARN-uri nucleare mici (snRNA). snrna-urile sunt prezente în concentrații foarte scăzute în nucleu. Snrna-urile se combină cu proteinele pentru a cuprinde mici particule nucleare ribo-nuclearproteine. Mai multe snrnp agregate pentru a forma un spliceosome. Această structură secundară recunoaște mai multe regiuni cheie în intron și la granița intron-exon. În esență, snrnp joacă un rol de îmbinare catalitică. Absența componentelor individuale snRNP poate inhiba îmbinarea. snrnp-urile sunt doar unul dintre multele complexe care pot regla expresia genelor.
în plus față de snrnp-uri, unele introni au capacități de auto (auto) despicare. Acești introni se numesc introni din grupul II. Intronii din grupa II se găsesc în unele gene mitocondriale, care provin dintr-un genom care este separat de nucleu și este situat în compartimente mici din celula numită mitocondrii. Mitochrondria funcționează pentru a furniza energie pentru cerințele energetice ale celulelor. Deși tot ADN-ul cromozomial este localizat în nucleu, câteva gene sunt localizate în mitocondriile celulelor. Intronii din grupul II formează structuri secundare folosind regiunea lor intronică internă într-un mod similar cu intronii nucleari. Cu toate acestea, acești introni mitocondriali direcționează exon-exon reunindu-se singuri fără snRNPs.
despicarea intronilor
diferite secvențe de semnal de îmbinare sunt universale și se găsesc în fiecare site intron îmbinat, în timp ce unele secvențe de semnal sunt unice pentru genele individuale. ADN-ul este alcătuit din baze numite nucleotide, care reprezintă alfabetul ADN. Există patru baze, adenină (a), guanină (G), timină (T) și citozină (C). Majoritatea intronilor din formele de viață superioare încep cu secvența nucleotidică G-T și se termină cu secvența A-G. secvențele definesc marginile „stânga” (5′) și „dreapta” (3′) ale intronului și sunt descrise ca fiind conforme cu regula GT-AG. Mutațiile din oricare dintre aceste patru poziții produc introni care nu pot fi îndepărtați prin mecanisme normale de îmbinare. În interiorul intronului se află o altă secvență foarte conservată, care are o anumită variabilitate în genele unei specii; această regiune (numită site-ul ramurii) este zona care se conectează la capătul 5′ al intronului pe măsură ce este tăiat și apoi se ondulează pentru a forma o formă de lariat. Acest lariat este o buclă în intron care se formează pe măsură ce este îndepărtată din ARN-ul de maturare.
alte evenimente de îmbinare
îmbinarea poate implica, de asemenea, alte molecule decât ARNm. Arnt-urile, care joacă un rol crucial în alinierea aminoacizilor de-a lungul unei proteine sintetizate, pot fi supuse îmbinării. ARN-urile sunt codificate de ADN doar
termeni cheie
anticorp —o moleculă creată de sistemul imunitar ca răspuns la prezența unui antigen (o substanță sau particulă străină). Marchează microorganismele străine din organism pentru distrugerea de către alte celule imune.
Antigen-o moleculă, de obicei o proteină, pe care organismul o identifică ca străină și spre care direcționează un răspuns imun.
plafonarea —o modificare la capătul 5′ al unei transcrieri mature a ARNm.
citoplasma —toată protoplasma dintr-o celulă vie care se află în afara nucleului, spre deosebire de nucleoplasmă, care este protoplasma din nucleu.
acid dezoxiribonucleic (ADN) —materialul genetic dintr-o celulă.
exoni-regiunile ADN-ului care codifică o proteină sau formează Arnt sau ARNm.
Gena-o unitate discretă de moștenire, reprezentată de o porțiune de ADN localizată pe un cromozom. Gena este un cod pentru producerea unui anumit tip de proteină sau moleculă de ARN și, prin urmare, pentru o caracteristică moștenită specifică.
genom-setul complet de gene pe care le poartă un organism.
introni —secvențe necodificatoare într-o genă care sunt îmbinate în timpul procesării ARN.
mitocondriile – organelle intracelulare care este separat de nucleu, are propriul genom și este important pentru producerea de energie pentru diferite țesuturi.
Poliadenilare —o modificare la capătul 3′ al unei transcrieri mature a ARNm.
ADN Recombinant —ADN care este tăiat folosind enzime specifice, astfel încât să poată fi inserată o genă sau o secvență ADN.
Splicesome —mașinăria intracelulară care procesează ARN prin eliminarea intronilor din secvență.
ca toate celelalte molecule de ARN. Cu toate acestea, Arnt-urile au o structură și o funcție unice distincte de alte molecule de ARN prin faptul că sunt responsabile pentru potrivirea blocurilor reale de proteine (aminoacizi) din secvența nucleotidică codificată pentru a construi o proteină sau polipeptidă. Deoarece aceste ARN-uri specializate au conformații unice, enzimele care se alătură exonilor după îndepărtarea intronului diferă de cele care se alătură intronilor în alte molecule de ARN. În timp ce intronii sunt îndepărtați și exonii sunt uniți, moleculele enzimatice nu sunt aceleași cu cele utilizate pentru procesarea ARNm. Îndepărtarea intronului în procesarea Arnt este mai puțin dependentă de secvențele interne de intron în comparație cu alți introni ARN.
tehnologia ADN-ului Recombinant
progresele în înțelegerea mecanismelor care descriu modul în care are loc îmbinarea genelor au dus la capacitatea oamenilor de știință de a tăia și de a recoaca secvențele de nucleotide, numite și tehnologia ADN-ului recombinant. Deoarece îmbinarea înseamnă literalmente îmbinarea capetelor separate, îmbinarea genelor se referă la îmbinarea a aproape orice secvențe de nucleotide pentru a crea un nou produs genetic sau pentru a introduce o nouă secvență genică. Prin urmare, aproape orice secvență genetică ar putea fi îmbinată într-o altă secvență.
anumite enzime numite enzime de restricție sunt utilizate în laboratoare pentru îmbinarea, conectarea (sau ligarea) și îndepărtarea sau adăugarea nucleotidelor la secvențe. Enzimele de restricție sunt utilizate în tehnologia ADN recombinant pentru a elimina și insera secvențe genetice din și în alte secvențe. Această tehnologie a permis unor companii biotehnologice și farmaceutice să producă cantități mari de proteine esențiale în scopuri medicale și de cercetare. De exemplu, o proteină de insulină umană poate fi făcută în cantități mari prin introducerea genei de insulină în genomul bacteriilor, de exemplu, pentru a produce cantități mari de proteină. Ca o mașină de fotocopie, astfel de secvențe pot produce multă insulină pentru diabetici care nu sunt capabili să producă suficientă insulină pe cont propriu. Acești pacienți își pot autoinjecta insulina purificată pentru a-și trata boala.
aplicații de îmbinare genetică
folosind tehnologia de îmbinare genetică, au fost produse vaccinuri. ADN-ul de la un virus poate fi îmbinat în genomul unei tulpini inofensive de tulpină bacteriană. Când bacteriile au produs proteina virală, această proteină poate fi recoltată. Deoarece bacteriile cresc rapid și ușor, o cantitate mare din această proteină poate fi extrasă, purificată și utilizată ca vaccin. Este introdus într-un individ prin injecție, ceea ce va provoca un răspuns imun. Atunci când o persoană este infectată cu un virus prin expunere naturală, poate fi inițiat un răspuns imun rapid datorită inoculării inițiale. O altă aplicație a tehnologiei de condimentare a genelor este legată de gena implicată în producția de vitamina B. Această genă a fost îndepărtată dintr-un genom de morcovi și îmbinată în genomul orezului. Prin urmare, tulpina de orez recombinant modificată genetic este modificată pentru a produce vitamina B. Acest lucru poate avea multe beneficii legate de sănătate, în special în țările din lumea a treia care se bazează pe orez ca sursă majoră de hrană și nu au acces la surse alimentare bogate în vitamine.
tehnologia de îmbinare a genelor, prin urmare, permite cercetătorilor să introducă noi gene în materialul genetic existent al unui genom al organismelor, astfel încât trăsăturile întregi, de la rezistența la boli la vitamine, să poată fi copiate dintr-un organism și transferate altul.
resurse
Cărți
Hall, Stephen și James Watson. Frontiere invizibile: Cursa de a sintetiza o genă umană. Oxford: Oxford University Press, 2002.
Keller, Evelyn Fox. Secolul genei. Boston: Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Factură. Cina la noua cafenea Gene: modul în care ingineria genetică schimbă ceea ce mâncăm, modul în care trăim și politica globală a alimentelor. New York: St. Martin ‘ s Press, 2002.
Louise Dickerson