сплайсинг
СПЛАЙСИНГ (от англ. splice — соединять, сращивать)
удаление из молекулы РНК нитронов (участков РНК, которые практически не несут генетич. информации) и соединение оставшихся участков, несущих генетич. информацию (экзо-нов), в одну молекулу.
С. — один из этапов образования функциональноактивных молекул РНК (процессинг РНК) из их предшественников, который осуществляется после завершения транскрипции (синтез РНК на ДНК-матрице). В результате удаления каждого интрона происходит разрыв двух фосфодиэфирных связей с последующим образованием одной новой (см. нуклеиновые кислоты).
С. подвергаются предшественники подавляющего большинства матричных РНК (пре-мРНК), а также некоторых транспортных и рибосомных РНК (соотв. пре-т РНК и пре-рРНК). С. характерен для РНК эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей); известны также случаи С. РНК бактериофагов.
Механизмы С. у разл. классов РНК различаются между собой. Для всех них характерна точность удаления интронов и соединения экзонов. Специфичность удаления единств. интрона, если он имеется в пре-тРНК, обеспечивается ее трехмерной структурой. Эндонуклеаза, ассоциированная с ядерной мембраной, с участием др. ферментов расщепляет предшественник на участках (сайтах) по краям интрона с образованием на концах экзонов 2',3'-циклофосфатного и 5'-гидроксильного концов (рис. 1). Соединение этих концов осуществляется в неск. стадий: у растений и дрожжей фосфорилирование 5'-конца в месте разрыва молекулы, превращение 2',3'-циклофосфата в 2'-фосфат и образование 3',5 '-фосфодиэфирной связи с участием остатка фосфорной кислоты из АТФ (левая часть рис.); у позвоночных механизм С. пре-тРНК не включает фосфорилирование экзонов в месте разрыва (правая часть рис.; на схеме указаны ферменты, катализирующие осн. этапы С.).
Рис. 1. Механизм сплайсинга пре-тРНК; W, X, Y, Z-пуриновые или пири-мидиновые основания; АДФ, АМФ, РР и P — соотв. аденозиндифосфат, аде-нозинмонофосфат, пирофосфорная кислота и остаток фосфорной кислоты.
С. некоторых пре-р РНК происходит автокаталитически (аутосплайсинг, самосплайсинг). В этом случае катализатор процесса — удаляемая интронная последовательность (рибо-зим). При этом С. осуществляется в результате серии после-доват. реакций, включающих превращение одного фосфоэфира в другой без промежут. гидролиза фосфодиэфирных связей и использования энергии извне. Реакция происходит в присутствии одновалентных катионов, Mg2+ и гуанозинового кофактора (гуанозинового нуклеотида или самого гуанозина), который инициирует серию превращений — высвобождение интрона, соединение двух экзонов, а также циклизацию интрона (при этом гуанозиновый кофактор регенерируется).
Самосплайсинг происходит у пре-рРНК простейших (напр., у тетрахимоны) и ряда пре-мРНК митохондрий низших грибов и некоторых др. пре-РНК, у которых интроны содержат консервативные последовательности, что обусловливает образование определенных вторичной и третичной структур.
Установлено участие при удалении ряда интронов мито-хондриальных пре-мРНК у низших грибов особых белков-матюраз, которые кодируются частично нитронами, частично экзонами. Роль матюраз, как и некоторых др. белков, сводится, по-видимому, к фиксации конформации интрона, необходимой для осуществления им каталитич. функции.
С. пре-мРНК, находящихся в ядре, происходит в составе специфич. нуклеопротеидных частицах (сплайсомах). Обычно С. подвергается кэпированная полиаденилированная линейная пре-мРНК. К.-л. строгого порядка для удаления множественных интронов из пре-мРНК не наблюдается, хстя удаление одних интронов может происходить быстрее, чем других. С. происходит исключительно в ядре; несплай-сированная РНК остается в ядре и деградирует. Однако если пре-РНК содержит интрон, который может участвовать в альтернативном пути С. (см. ниже), то она м. б. транспортирована в цитоплазму. С. ядерных пре-мРНК происходит обычно по границам интронов, которые содержат на концах динуклеотиды 5'-GU и AG-3' (A, G и U — соотв. остатки аденозина, гуанозина и уридина; правило Шамбо-на). Известно только неск. исключений, когда вместо GU расположен динуклеотид GC (С-остаток цитидина). Рядом с этими динуклеотидами расположены т. наз. консенсусные∙ последовательности, которые имеют близкое строение у разл. пре-мРНК. Общая схема С. ядерных пре-мРНК показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема сплайсинга пре-мРНК в ядрах клеток высших эукариот: 1 и 3 — соотв. 5'- и 3'-концы интрона; 2 — место разветвления; Y-остаток псевдоуридина (отсутствует атом N в положении 1 гетероцикла основания). Толстые линии-экзоны (L1 и L2), тонкие-интроны.
Для мн. пре-РНК известны альтернативные пути С., дающие множественные формы зрелой РНК из транскрип-тов одного гена. Это может иметь значение как один из механизмов регуляции экспрессии генов, а также как средство увеличения кодирующей емкости генома (экспрессия одного гена может выражаться в синтезе разных мРНК). Известен также транс-С. (межмолекулярный С.), при котором происходит соединение двух экзонов из разных молекул РНК.
Нарушение правильного С. в результате мутаций, затрагивающих нуклеотидные последовательности ок. границ интронов или экзонов, м. б. причиной возникновения наследственных болезней; нарушенный С. у пре-мРНК арги-нинсукцинатсинтетазы приводит к цитрулйнемии, пре-мРНК глобинов — к разл. типам талассемий, пре-мРНК иммуноглобулинов — к заболеваниям, связанным с нарушением синтеза тяжелых цепей антител и др.
Лит.: Кавсан В.М., "Молекулярная биология", 1986, т. 20, в. 1, с. 5–20; там же, 1986. в. 6, с. 1451–71; Padgett R. А. [а. о.], "Ann. Rev. Biochem.", 1986, v. 55, p. 1119–50; Luhrmann R. [а.о.], Biochim. et Biophys. Acta", 1990, v. 1087, p. 265–92; Cech T. R., "Angew. Chemie", 1990, v. 29, № 7, p. 759–68; Altman S., там же, р. 749–58.
В. М. Кавсан
