alternativ Splitsning
Spliceosomer
splitsning av introner
andra splitsningshändelser
rekombinant DNA-teknik
tillämpningar av gensplitsning
resurser
gener är DNA-sekvenser som kodar för protein. Gensplicing är en form av genteknik där specifika gener eller gensekvenser sätts in i genomet hos en annan organism. Gensplicing kan också specifikt hänvisa till ett steg under bearbetningen av deoxiribonukleinsyra (DNA) för att förbereda den för att översättas till protein.
gensplicing kan också tillämpas på molekylärbiologiska tekniker som syftar till att integrera olika DNA-sekvenser eller gen i cellernas DNA. Individuella gener kodar för specifika proteiner och, baserat på resultatet av Human Genome Project, uppskattas det att det finns cirka 30 000 gener i varje cell i människokroppen. Eftersom de cellulära funktionerna i olika vävnader har olika syften genomgår generna en komplex samordnad ansträngning för att upprätthålla lämplig nivå av genuttryck på ett vävnadsspecifikt sätt. Till exempel kräver muskelceller specifika proteiner för att fungera, och dessa proteiner skiljer sig anmärkningsvärt från proteiner i hjärnceller. Även om den genetiska informationen för det mesta är densamma i båda celltyperna, resulterar de olika funktionella syftena i olika cellulära behov och därför produceras olika proteiner i olika vävnadstyper.
gener uttrycks inte utan rätt signaler. Många gener kan förbli inaktiva. Med lämplig stimulering av genuttryck kan cellen producera olika proteiner. DNA måste först bearbetas till en form som andra molekyler i cellen kan känna igen och översätta det till lämpligt protein. Innan DNA kan omvandlas till protein måste det transkriberas till ribonukleinsyra (RNA). Det finns tre steg i RNA-mognad; skarvning, tak och polyadenylering. Var och en av dessa steg är involverade i att förbereda det nyskapade RNA, kallat RNA-transkriptet, så att det kan lämna kärnan utan att försämras. När det gäller genuttryck är skarvningen av RNA det steg där genskarvning sker i detta sammanhang på specifika platser i hela genen. Områdena av genen som splitsas ut representerar icke-kodande regioner som ingriper sekvenser även kända som introner. DNA som finns kvar i det bearbetade RNA kallas kodande regioner och varje kodande regioner i genen är kända som exoner. Därför ingriper introner sekvenser mellan exoner och gensplitsning medför excision av introner och sammanfogning av exoner. Därför kommer den slutliga sekvensen att vara kortare än den ursprungliga kodande genen eller DNA-sekvensen.
för att uppskatta den roll Splitsning spelar i hur gener uttrycks är det viktigt att förstå hur en gen förändras till sin funktionella form. Ursprungligen kallas RNA prekursor RNA (eller pre-RNA). Pre-rna modifieras sedan vidare till andra RNA som kallas överförings-RNA (tRNA), ribosomalt RNA (rRNA) eller budbärar-RNA (mRNA). mRNA kodar proteiner i en process som kallas översättning, medan de andra RNA: erna är viktiga för att hjälpa mRNA att översättas till protein. RNA-Splitsning skapar funktionella RNA-molekyler från pre-rna.
Splitsning fortsätter vanligtvis på ett förutbestämt sätt för varje gen. Experiment som har stoppat transkriptionsbildning vid olika tidsintervaller visar att skarvning kommer att följa en viktig väg som börjar med någon intron och fortsätter selektivt till en annan, inte nödvändigtvis intilliggande, intron. Även om andra vägar kan följas, har varje transkript sin egen primära sekvens för intron excision.
alternativ skarvning
en enda gen kan bearbetas för att skapa många genprodukter eller proteiner och denna process kallas alternativ skarvning. I detta fall förblir en annan kombination av exoner i det bearbetade RNA. Alternativ gensplitsning vid olika intron-exonställen inom en gen kan användas för att skapa flera proteiner från samma Pre-RNA-molekyl. Proteiner består av flera domäner. Olika exoner kan koda för olika domäner. Selektiv skarvning kan ta bort oönskade exoner såväl som introner. Kombinationerna av proteiner som kan produceras från alternativ skarvning är relaterade till struktur eller funktion men är inte identiska. Genom att använda en enda gen för att skapa flera proteiner kan cellens DNA utnyttjas mer effektivt.
alternativ skarvning kan vara vävnadsspecifik så att olika proteiner tillverkas av samma ursprungliga gen av två eller flera olika celltyper. Eller en celltyp kan göra flera konfigurationer med samma gen. Till exempel tillverkar en typ av immuncell som kallas en B-cell antikroppar mot många antigener. Antigener är främmande ämnen som utlöser immunsvar och antikroppar binder och antigener så att de kan brytas ner och tas bort. Även om ett oändligt antal antikroppar kan produceras, faller alla antikroppar i en av fem grundläggande subtyper. Alternativ Splitsning används för att skapa dessa fem antikroppstyper från samma gen.
antikroppar består av flera immunoglo-bulin (Ig) molekyler. Dessa molekyler har i sin tur flera domäner. En särskild domän som kallas heavy chain constant region skiljer de fem antikroppsundertyperna, kallade IgM, IgD, IGG, IgE och Iga. De olika typerna av antikroppar tjänar olika funktioner i kroppen och verkar i olika kroppsvävnader. Till exempel utsöndras IgAs i mag-tarmslimhinnan, och IgGs passerar genom placentan. Genen som kodar för dessa tunga kedjeregioner innehåller exoner som styr produktionen av enskilda subtyper, och genen skarvas växelvis för att ge ett slutligt mRNA-transkript, vilket kan göra någon av dem.
de flesta gener ger bara ett transkript; emellertid har gener som ger flera transkript många cellulära och utvecklingsroller. Alternativ Splitsning kontrollerar sexbestämning i Drosophila melanogaster flugor. Och ett antal proteiner uttrycks differentiellt från samma gen i olika celler. Olika muskelceller använder alternativ skarvning för att skapa cellspecifika myosinproteiner. Och embryonala celler i olika utvecklingsstadier producerar flera former av proteinet, retinsyra. Vissa transkript skiljer sig från relaterade transkript i 5′ – änden och andra kan variera i 3′ – änden.
Spliceosomer
molekylerna eller molekylkomplexen som faktiskt skarvar RNA i cellkärnan kallas spliceosomer. Spliceosomer är gjorda av små sekvenser av RNA bundna av ytterligare små proteiner. Detta spliceosomkomplex känner igen särskilda nukleotidsekvenser vid intron-exongränsen. DNA och RNA läses båda i allmänhet i 5′ till 3 ’ – riktningen. Denna beteckning är gjord på basis av fosfo-diesterbindningarna, som utgör ryggraden i DNA-och RNA-strängar. Introner skärs först i 5 ’- änden och sedan i 3’ – änden. De två intilliggande exonerna binds sedan ihop utan intron. Spliceosomen är ett enzymatiskt komplex som utför vart och ett av dessa steg längs pre-RNA för att avlägsna introner.
de små RNA som utgör spliceosomen är inte mRNA, rRNA eller tRNA; de är små nukleära rna (snRNA). snRNA finns i mycket låga koncentrationer i kärnan. SnRNAs kombineras med proteiner för att bestå av små nukleära ribo-nukleära proteinpartiklar. Flera snRNPs aggregerar för att bilda en spliceosome. Denna sekundära struktur känner igen flera viktiga regioner i intron och vid intron-exon-gränsen. I huvudsak spelar snRNPs en katalytisk skarvningsroll. Frånvaron av enskilda snRNP-komponenter kan hämma skarvning. snRNPs är bara ett av många komplex som kan reglera genuttryck.
förutom snRNP: er har vissa introner automatisk (själv) skarvningsförmåga. Dessa introner kallas grupp II introner. Grupp II-introner finns i vissa mitokondriella gener, som kommer från ett genom som är separat från kärnan och ligger i små fack i cellen som kallas mitokondrier. Mitochrondria fungerar för att ge energi för cellerna energibehov. Även om allt kromosomalt DNA finns i kärnan, finns några gener i cellerna mitokondrier. Grupp II-introner bildar sekundära strukturer med hjälp av deras inre intron-region på liknande sätt som nukleära introner. Men dessa mitokondriella introner direkt exon-exon återförenas av sig själva utan snRNPs.
skarvning av introner
olika skarvningssignalsekvenser är universella och finns inom varje intron-plats skarvad, medan vissa signalsekvenser är unika för enskilda gener. DNA består av baser som kallas nukleotider, som representerar DNA-alfabetet. Det finns fyra baser, adenin (A), guanin (G), tymin (T) och cytosin (C). De flesta introner i högre livsformer börjar med nukleotidsekvensen G – T och slutar med sekvensen A-G. sekvenserna definierar intronens ”vänster” (5′) och ”höger” (3′) gränser och beskrivs som överensstämmer med GT-AG-regeln. Mutationer i någon av dessa fyra positioner producerar introner som inte kan avlägsnas genom normala skarvningsmekanismer. Inom intron är en annan mycket konserverad sekvens som har viss variation i generna hos en Art; denna region (kallad grenplatsen) är det område som ansluter till 5′ – änden av intron när den skärs och sedan krullar runt för att bilda en lariatform. Denna lariat är en slinga i intron som bildas när den avlägsnas från det mogna RNA.
andra skarvningshändelser
skarvning kan också involvera andra molekyler än mRNA. tRNA, som spelar en avgörande roll för att anpassa aminosyror längs ett protein som syntetiseras kan genomgå skarvning. tRNA kodas av DNA bara
nyckeltermer
antikropp —en molekyl skapad av immunsystemet som svar på närvaron av ett antigen (en främmande substans eller partikel). Det markerar främmande mikroorganismer i kroppen för förstörelse av andra immunceller.
Antigen-en molekyl, vanligtvis ett protein, som kroppen identifierar som främmande och mot vilken den riktar ett immunsvar.
Capping – en modifiering av 5 ’ – änden av ett moget mRNA-transkript.
cytoplasma-all protoplasma i en levande cell som ligger utanför kärnan, till skillnad från nukleoplasma, som är protoplasman i kärnan.
deoxiribonukleinsyra (DNA) – det genetiska materialet i en cell.
exoner-regionerna av DNA som kodar för ett protein eller bildar tRNA eller mRNA.
gen-en diskret arvsenhet, representerad av en del DNA som ligger på en kromosom. Genen är en kod för produktion av en specifik typ av protein eller RNA-molekyl, och därför för en specifik ärftlig egenskap.
genom —den kompletta uppsättningen gener som en organism bär.
introner-icke-kodande sekvenser i en gen som splitsas ut under RNA-bearbetning.
mitokondrier-intracellulär organell som är skild från kärnan, har sitt eget genom och är viktigt för att producera energi för olika vävnader.
Polyadenylering-en modifiering av 3 ’ – änden av ett moget mRNA-transkript.
rekombinant DNA-DNA som skärs med specifika enzymer så att en gen eller DNA-sekvens kan införas.
Splicesome-det intracellulära maskineriet som bearbetar RNA genom att ta bort introner från sekvensen.
som alla andra RNA-molekyler. TRNA har emellertid en unik struktur och funktion som skiljer sig från andra RNA-molekyler genom att de är ansvariga för att matcha de faktiska proteinbyggnadsblocken (aminosyror) från den kodade nukleotidsekvensen för att bygga ett protein eller polypeptid. Eftersom dessa specialiserade rna har unika konformationer skiljer sig enzymer som går med i exoner efter intron-borttagning från de som går med i introner i andra RNA-molekyler. Medan introner avlägsnas och exoner förenas är de enzymatiska molekylerna inte desamma som de som används för mRNA-bearbetning. Intronavlägsnande i tRNA-bearbetning är mindre beroende av interna intronsekvenser jämfört med andra RNA-introner.
rekombinant DNA-teknik
framsteg i att förstå mekanismerna som beskriver hur gensplitsning sker har lett till forskarnas förmåga att skära och glödga nukleotidsekvenser, även kallad rekombinant DNA-teknik. Eftersom skarv bokstavligen betyder sammanfogning av separata ändar, hänvisar genskarvning till sammanfogning av nästan alla nukleotidsekvenser för att skapa en ny genprodukt eller att införa en ny gensekvens. Därför kan nästan vilken genetisk sekvens som helst skarvas i en annan sekvens.
vissa enzymer som kallas restriktionsenzymer används i laboratorier för att skarva, ansluta (eller ligera) och ta bort eller lägga till nukleotider i sekvenser. Restriktionsenzymer används i rekombinant DNA-teknik för att ta bort och infoga genetiska sekvenser från och in i andra sekvenser. Denna teknik har gjort det möjligt för vissa bioteknik-och läkemedelsföretag att tillverka stora mängder viktiga proteiner för medicinska och forskningsändamål. Till exempel kan ett humant insulinprotein framställas i stor tillgång genom att införa insulingenen i bakteriens genom, till exempel för att producera stora mängder av proteinet. Som en kopieringsmaskin kan sådana sekvenser producera mycket insulin för diabetiker som inte kan göra tillräckligt med insulin på egen hand. Dessa patienter kan sedan själv injicera det renade insulinet för att behandla sin sjukdom.
tillämpningar av gensplicing
med hjälp av genspliceringsteknik har vacciner producerats. DNA från ett virus kan skarvas in i genomet av en ofarlig stam av bakteriestam. När bakterierna producerade det virala proteinet kan detta protein skördas. Eftersom bakterier växer snabbt och enkelt kan en stor del av detta protein extraheras, renas och användas som ett vaccin. Det införs i en individ genom injektion, vilket kommer att framkalla ett immunsvar. När en person är infekterad med ett virus genom naturlig exponering kan ett snabbt immunsvar initieras på grund av den initiala ympningen. En annan tillämpning av genkryddningsteknik är relaterad till genen som är involverad i vitamin B-produktion. Denna gen har tagits bort från ett morotgenom och skarvats in i genomet av ris. Den genetiskt konstruerade rekombinanta risstammen är därför modifierad för att producera vitamin B. Detta kan ha många hälsorelaterade fördelar, särskilt i tredje världsländer som är beroende av ris som en viktig matkälla och inte har tillgång till matkällor rik på vitaminer.
Gen splitsningsteknik tillåter därför forskare att infoga nya gener i det befintliga genetiska materialet i ett organisms genom så att hela egenskaper, från sjukdomsresistens mot vitaminer, och kan kopieras från en organism och överföras en annan.
resurser
böcker
Hall, Stephen och James Watson. Osynliga gränser: loppet att syntetisera en mänsklig gen. Oxford: Oxford University Press, 2002.
Keller, Evelyn Fox. Århundradet av genen. Boston: Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Räkningen. Middag på New Gene Cafe: hur genteknik förändrar vad vi äter, hur vi lever och den globala politiken för mat. New York: St. Martin ’ s Press, 2002.
Louise Dickerson