alternatywne splicing
Spliceosomy
splicing z intronów
inne zdarzenia splicingu
technologia rekombinacji DNA
zastosowania splicingu genów
zasoby
geny są sekwencjami DNA kodującymi białko. Splicing genów jest formą inżynierii genetycznej, w której określone geny lub sekwencje genów są wstawiane do genomu innego organizmu. Splicing genów może również szczegółowo odnosić się do etapu przetwarzania kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) w celu przygotowania go do translacji na białko.
splicing genów może być również stosowany w technikach biologii molekularnej, które mają na celu integrację różnych sekwencji DNA lub genu z DNA komórek. Poszczególne geny kodują określone białka i na podstawie wyników projektu ludzkiego genomu szacuje się, że w każdej komórce ludzkiego ciała znajduje się około 30 000 genów. Ponieważ funkcje komórkowe w różnych tkankach mają różne cele, geny przechodzą złożony wspólny wysiłek w celu utrzymania odpowiedniego poziomu ekspresji genów w specyficzny dla tkanek sposób. Na przykład, komórki mięśniowe wymagają specyficznych białek do funkcjonowania, a białka te różnią się znacząco od białek w komórkach mózgu. Chociaż informacja genetyczna jest w większości taka sama w obu typach komórek, różne cele funkcjonalne powodują różne potrzeby komórkowe i dlatego różne białka są wytwarzane w różnych typach tkanek.
geny nie ulegają ekspresji bez odpowiednich sygnałów. Wiele genów może pozostać nieaktywnych. Dzięki odpowiedniej stymulacji ekspresji genów komórka może wytwarzać różne białka. DNA musi najpierw zostać przetworzone w formę, którą inne cząsteczki w komórce mogą rozpoznać i przetłumaczyć na odpowiednie białko. Zanim DNA może zostać przekształcone w białko, musi zostać transkrybowane do kwasu rybonukleinowego (RNA). Istnieją trzy etapy dojrzewania RNA; splicing, capping i poliadenylating. Każdy z tych etapów jest zaangażowany w przygotowanie nowo utworzonego RNA, zwanego transkryptem RNA, tak aby mógł opuścić jądro bez degradacji. Jeśli chodzi o ekspresję genu, splicing RNA jest etapem, w którym splicing genu występuje w tym kontekście w określonych miejscach w całym Genie. Obszary genu, które są splicowane, reprezentują regiony niekodujące, które są sekwencjami interweniującymi, znanymi również jako introny. DNA, które pozostaje w przetwarzanym RNA jest określane jako regiony kodujące, a Każdy region kodujący genu jest znany jako egzony. Dlatego introny są sekwencjami interferującymi między eksonami, a splicing genów pociąga za sobą wycięcie intronów i połączenie ze sobą eksonów. Stąd końcowa sekwencja będzie krótsza od oryginalnego genu kodującego lub sekwencji DNA.
aby docenić rolę splicingu w ekspresji genów, ważne jest, aby zrozumieć, jak gen zmienia się w swoją funkcjonalną formę. Początkowo RNA nazywa się prekursorem RNA (lub pre-RNA). Pre-RNA są następnie dalej modyfikowane do innych RNA zwanych transferowym RNA (tRNA), rybosomalnym RNA (rRNA) lub posłaniowym RNA (mRNA). mRNA kodują białka w procesie zwanym translacją, podczas gdy inne RNA są ważne dla pomocy w translacji mRNA na białko. Splicing RNA tworzy funkcjonalne cząsteczki RNA z pre-RNA.
Splicing zwykle przebiega w określony z góry sposób dla każdego genu. Eksperymenty, które zatrzymały tworzenie transkrypcji w różnych odstępach czasu pokazują, że splicing będzie podążał główną ścieżką zaczynającą się od jakiegoś IntronA i przechodzącą wybiórczo do innego, niekoniecznie sąsiedniego, IntronA. Chociaż inne ścieżki mogą być śledzone, każdy transkrypt ma własną sekwencję pierwotną dla wycięcia intronu.
alternatywne splicing
pojedynczy gen może być przetwarzany w celu utworzenia wielu produktów genowych lub białek, a proces ten jest określany jako alternatywne splicing. W tym przypadku w przetwarzanym RNA pozostaje inna kombinacja egzonów. Alternatywne łączenie genów w różnych miejscach intron-ekson w obrębie genu może być wykorzystane do stworzenia kilku białek z tej samej cząsteczki pre-RNA. Białka składają się z wielu domen. Różne egzony mogą kodować dla różnych domen. Selektywne łączenie może usuwać niechciane eksony, a także introny. Kombinacje białek, które mogą być wytwarzane z alternatywnego splicingu, są powiązane pod względem struktury lub funkcji, ale nie są identyczne. Wykorzystując jeden gen do tworzenia wielu białek, komórki DNA mogą być wykorzystywane bardziej efektywnie.
naprzemienne łączenie może być specyficzne dla tkanek, tak że różne białka są wytwarzane z tego samego oryginalnego genu przez dwa lub więcej różnych typów komórek. Lub jeden typ komórki może tworzyć wiele konfiguracji przy użyciu tego samego genu. Na przykład rodzaj komórki odpornościowej zwanej komórką B wytwarza przeciwciała przeciwko licznym antygenom. Antygeny są obcymi substancjami, które wywołują odpowiedzi immunologiczne, a przeciwciała wiążą się i antygeny, dzięki czemu można je rozkładać i usuwać. Chociaż można wytworzyć nieskończoną liczbę przeciwciał, wszystkie przeciwciała należą do jednego z pięciu podstawowych podtypów. Alternatywny splicing używa tworzyć te pięć niweczniki typy od ten sam gen.
przeciwciała składają się z wielu cząsteczek immunoglo-bulin (IG). Cząsteczki te z kolei mają wiele domen. Konkretna domena zwana regionem stałym łańcucha ciężkiego wyróżnia pięć podtypów przeciwciał, zwanych IgM, IgD, IgG, IgE i IgA. Różne typy przeciwciał spełniają różne funkcje w organizmie i działają w różnych tkankach ciała. Na przykład IgAs są wydzielane do błony śluzowej przewodu pokarmowego, a IgGs przechodzi przez łożysko. Gen kodujący te regiony łańcucha ciężkiego zawiera eksony, które kierują produkcją poszczególnych podtypów, a gen jest naprzemiennie łączony, aby uzyskać końcowy transkrypt mRNA, który może stworzyć dowolny z nich.
Większość genów daje tylko jeden transkrypt; jednak geny, które dają wiele transkryptów, mają liczne role komórkowe i rozwojowe. Naprzemienne splatanie kontroluje determinację płci u muchówek Drosophila melanogaster. Wiele białek różni się od tego samego genu w różnych komórkach. Różne komórki mięśniowe używają naprzemiennego splicingu do tworzenia specyficznych dla komórek białek miozyny. A komórki embrionalne w różnych stadiach rozwoju produkują wiele form białka, kwasu retinowego. Niektóre transkrypty różnią się od powiązanych transkryptów w końcówce 5′, a inne mogą się różnić w końcówce 3′.
Spliceosomy
cząsteczki lub kompleksy molekularne, które faktycznie splatają RNA w jądrze komórkowym, nazywane są spliceosomami. Spliceosomy zbudowane są z małych sekwencji RNA związanych z dodatkowymi małymi białkami. Ten kompleks spliceosomów rozpoznaje poszczególne sekwencje nukleotydowe na granicy intron-ekson. DNA i RNA są na ogół odczytywane w kierunku 5′ do 3′. Oznaczenie to powstaje na podstawie wiązań fosfodiestrowych, które tworzą szkielet nici DNA i RNA. Introny są najpierw wycinane na ich 5′ końcu, a następnie na 3 ’ końcu. Dwa sąsiadujące egzony są następnie połączone ze sobą bez intronu. Spliceosom jest kompleksem enzymatycznym, który wykonuje każdy z tych etapów wzdłuż pre-RNA w celu usunięcia intronów.
małe RNA, które tworzą spliceosom, nie są mRNA, rRNA lub Trna; są to małe jądrowe RNA (snRNA). snRNA są obecne w bardzo niskich stężeniach w jądrze. SnRNA łączą się z białkami, tworząc małe jądrowe cząsteczki rybo-nuklearnaproteinowe. Kilka snRNPs agreguje się tworząc spliceosom. Ta Drugorzędna struktura rozpoznaje kilka kluczowych regionów w intronie i na granicy intron-ekson. Zasadniczo snrnp odgrywają rolę łączenia katalitycznego. Brak poszczególnych składników snRNP może hamować splicing. snrnp są tylko jednym z wielu kompleksów, które mogą regulować ekspresję genów.
oprócz snRNPs, niektóre introny mają możliwości automatycznego (self) łączenia. Introny te nazywane są intronami grupy II. Introny grupy II znajdują się w niektórych genach mitochondrialnych, które pochodzą z genomu oddzielonego od jądra i znajdują się w małych przedziałach wewnątrz komórki zwanych mitochondriami. Funkcje mitochrondrii zapewniają energię dla potrzeb energetycznych komórek. Chociaż wszystkie chromosomalne DNA znajduje się w jądrze, kilka genów znajduje się w mitochondriach komórek. Introny grupy II tworzą struktury wtórne, wykorzystując swój wewnętrzny region intronowy w podobny sposób jak introny jądrowe. Jednak te mitochondrialne introny kierują Egzon-Egzon, które same się regenerują bez snRNPs.
łączenie intronów
różne sekwencje sygnałowe splicingu są uniwersalne i znajdują się w każdym miejscu splicingu intronów, podczas gdy niektóre sekwencje sygnałowe są unikalne dla poszczególnych genów. DNA składa się z zasad zwanych nukleotydami, które reprezentują alfabet DNA. Istnieją cztery zasady, adenina (A), guanina (G), tymina (T) i cytozyna (C). Większość intronów w wyższych formach życia rozpoczyna się sekwencją nukleotydową G-T i kończy sekwencją a-G. sekwencje te definiują” lewe „(5′) i” prawe „(3′) Granice intronu i są opisane jako zgodne z regułą GT-AG. Mutacje w którymkolwiek z tych czterech pozycji wytwarzają introny, których nie można usunąć za pomocą normalnych mechanizmów splicingu. W obrębie intronu znajduje się kolejna wysoce zachowana sekwencja, która ma pewną zmienność genów gatunku; region ten (zwany miejscem odgałęzienia) jest obszarem, który łączy się z 5′ końcem IntronA, gdy jest cięty, a następnie zwija się, tworząc kształt lariata. Lariat ten jest pętlą w intronie, która powstaje podczas usuwania z dojrzewającego RNA.
inne zdarzenia splicingu
Splicing może również obejmować cząsteczki inne niż mRNA. Trna, które odgrywają kluczową rolę w wyrównywaniu aminokwasów wzdłuż syntetyzowanego białka, mogą ulegać splicingowi. Trna są kodowane przez DNA tylko
kluczowe terminy
przeciwciało —cząsteczka tworzona przez układ odpornościowy w odpowiedzi na obecność antygenu (obcej substancji lub cząstki). Oznacza obce mikroorganizmy w organizmie do zniszczenia przez inne komórki odpornościowe.
antygen-cząsteczka, Zwykle białko, które organizm identyfikuje jako obce i w kierunku którego kieruje odpowiedź immunologiczną.
Capping —modyfikacja 5′ końca dojrzałego transkryptu mRNA.
cytoplazma-Cała protoplazma w żywej komórce, która znajduje się poza jądrem, w odróżnieniu od nukleoplazmy, która jest protoplazmą w jądrze.
kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) —materiał genetyczny w komórce.
eksony-regiony DNA kodujące białko lub tworzące tRNA lub mRNA.
Gen-Dyskretna Jednostka dziedziczenia, reprezentowana przez część DNA zlokalizowaną na chromosomie. Gen jest kodem do produkcji określonego rodzaju białka lub cząsteczki RNA, a zatem do specyficznej odziedziczonej cechy.
Genom-kompletny zestaw genów, które przenosi organizm.
introny —niekodujące sekwencje w genie, które są splecione podczas przetwarzania RNA.
Mitochondria-organelle wewnątrzkomórkowe, które są oddzielone od jądra, mają swój własny genom i są ważne dla wytwarzania energii dla różnych tkanek.
Poliadenylacja-modyfikacja 3′ końca dojrzałego transkryptu mRNA.
rekombinowane DNA-DNA, które jest cięte przy użyciu określonych enzymów, tak aby można było wstawić gen lub sekwencję DNA.
Splicesome —maszyna wewnątrzkomórkowa, która przetwarza RNA poprzez usunięcie intronów z sekwencji.
jak wszystkie inne cząsteczki RNA. Jednakże Trna mają unikalną strukturę i funkcję różniącą się od innych cząsteczek RNA tym, że są one odpowiedzialne za dopasowanie rzeczywistych bloków budulcowych białka (aminokwasów) z kodowanej sekwencji nukleotydowej do budowy białka lub polipeptydu. Ponieważ te wyspecjalizowane RNA mają unikalne konformacje, enzymy, które łączą się z eksonami po usunięciu intronu, różnią się od tych, które łączą się z intronami w innych cząsteczkach RNA. Podczas gdy introny są usuwane, a eksony łączone, cząsteczki enzymatyczne nie są takie same jak te używane do przetwarzania mRNA. Usuwanie intronu w przetwarzaniu tRNA jest mniej zależne od wewnętrznych sekwencji intronowych w porównaniu z innymi intronami RNA.
technologia rekombinacji DNA
postępy w zrozumieniu mechanizmów opisujących sposób splicingu genów prowadzą do zdolności naukowców do cięcia i wyżarzania sekwencji nukleotydowych, zwanych również technologią rekombinacji DNA. Ponieważ splice dosłownie oznacza łączenie oddzielnych końców, splicing genów odnosi się do łączenia prawie wszystkich sekwencji nukleotydowych w celu stworzenia nowego produktu genowego lub wprowadzenia nowej sekwencji genowej. Stąd prawie każda sekwencja genetyczna może być połączona w inną sekwencję.
niektóre enzymy zwane enzymami restrykcyjnymi są używane w laboratoriach do łączenia, łączenia (lub ligowania) i usuwania lub dodawania nukleotydów do sekwencji. Enzymy restrykcyjne są stosowane w technologii rekombinacji DNA do usuwania i wstawiania sekwencji genetycznych z I do innych sekwencji. Technologia ta umożliwiła niektórym firmom biotechnologicznym i farmaceutycznym wytwarzanie dużych ilości niezbędnych białek do celów medycznych i badawczych. Na przykład, białko insuliny ludzkiej może być wytwarzane w dużej ilości przez wstawienie genu insuliny do genomu bakterii, na przykład w celu wytworzenia dużych ilości białka. Podobnie jak Fotokopiarka, takie sekwencje mogą produkować dużo insuliny dla diabetyków, którzy nie są w stanie samodzielnie wytworzyć wystarczającej ilości insuliny. Pacjenci ci mogą następnie samodzielnie wstrzykiwać oczyszczoną insulinę w celu leczenia choroby.
zastosowania splicingu genów
wykorzystując technologię splicingu genów, wyprodukowano szczepionki. DNA wirusa może być łączone do genomu nieszkodliwego szczepu bakterii. Kiedy bakterie wytwarzają białko wirusowe, białko to może być zbierane. Ponieważ bakterie rosną szybko i łatwo, duża ilość tego białka może być wyekstrahowana, oczyszczona i stosowana jako szczepionka. Jest on wprowadzany do jednostki przez wstrzyknięcie, które wywoła odpowiedź immunologiczną. Gdy osoba jest zakażona wirusem przez naturalną ekspozycję, szybka odpowiedź immunologiczna może być zainicjowana ze względu na początkowe szczepienie. Inne zastosowanie technologii przyprawiania genów jest związane z genem zaangażowanym w produkcję witaminy B. Gen ten został usunięty z genomu marchwi i włączony do genomu ryżu. Genetycznie zmodyfikowany rekombinowany szczep ryżu jest zatem modyfikowany w celu produkcji witaminy B. Może to mieć wiele korzyści zdrowotnych, szczególnie w krajach trzeciego świata, które polegają na ryżu jako głównym źródle żywności i nie mają dostępu do źródeł żywności bogatych w witaminy.
technologia splicingu genów pozwala zatem naukowcom wstawić nowe geny do istniejącego materiału genetycznego genomu organizmów, tak aby całe cechy, od odporności na choroby do witamin, mogły być kopiowane z jednego organizmu i przenoszone z innego.
zasoby
książki
Hall, Stephen and James Watson. Invisible Frontiers: Wyścig do syntezy ludzkiego genu. Oxford: Oxford University Press, 2002.
Keller, Evelyn Fox. Stulecie genu. Boston: Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Bill. Kolacja w New Gene Cafe: jak inżynieria genetyczna zmienia to, co jemy, jak żyjemy i globalną politykę żywnościową. New York: St. Martin ’ s Press, 2002.
Louise Dickerson