Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 18

Урок 2: Транскрипция

Еукариотна пре-иРНК обработка

5'шапка и поли-А опашка. Съединяване, интрони и екзони.

Ключови точки:

Когато един РНК транскрипт бъде изграден в една еукариотна клетка, отначало той се смята за пре-иРНК и трябва да бъде обработен до информационна РНК (иРНК).
5' шапка бива добавена към началото на РНК транскрипта и 3' поли-А опашка бива добавена към края.
При сплайсинга някои части на РНК транскрипта (интрони) биват премахнати и оставащите части (екзони) биват слепени заедно.
Някои гени могат да бъдат алтернативно сплайсирани, което води до производството на различни зрели иРНК молекули от един и същи начален транскрипт.

Въведение

Представи си, че ръководиш фабрика за производство на книги и току-що принтира всички страници на любимата ти книга. Сега, когато имаш страниците, готова ли е книгата? Ами... книгите обикновено имат предни и задни корици. Така че може да искаш да сложиш такива. Също, имаше ли празни или смачкани страници по време на принтиране? Вероятно трябва да провериш дали има и да ги премахнеш, преди да продадеш книгите си, или може да се окажеш с недоволни клиенти.

Стъпките, за които току-що говорихме, са доста подобни на това, което се случва с РНК транскриптите в клетките на тялото ти. При хората и други еукариоти прясно изграденият РНК транскрипт (горещ от РНК полимеразната "преса") не е готов за работа. Вместо това се нарича пре-иРНК и трябва да премине през някои стъпки на обработка, за да стане зряла информационна РНК (иРНК), която може да бъде транслирана в протеин. Те включват:

Добавяне на молекули под формата на "шапка" и "опашка" към двата края на транскрипта. Те играят защитна роля, като предната и задната корици на книга.
Премахването на "боклучни" последователности, наречени интрони. Интроните са един вид празни или смачкани страници, направени по време на принтирането на книгата, които трябва да бъдат премахнати, за да може книгата да е годна за четене.

В тази статия ще разгледаме по-отблизо тази шапка, опашка и сплайсинг модификациите, които еукариотните РНК транскрипти получават, като разгледаме как се добавят и защо са важни, за да се уверим, че получаваме правилния протеин от нашата РНК.

Преглед на пре-иРНК обработването при еукариоти

Като бърз преглед: генната експресия ("разчитането" на един ген, за да направим протеин, или част от протеин) протича с известни разлики при бактерии и еукариоти като хората.

При бактериите РНК транскриптите са готови да действат като информационни РНК-и и да бъдат транслирани в протеини веднага. При еукариотите нещата са малко по-сложни, но по доста интересен начин. Молекулата, която е директно произведена при транскрипция в една от твоите (еукариотни) клетки, се нарича пре-иРНК, отразявайки факта, че трябва да премине през още няколко стъпки, за да стане реална информационна РНК (иРНК). Те са:

Добавяне на 5' шапка към началото на РНК
Добавяне на поли-А опашка (опашка от А нуклеотиди) към края на РНК
Изрязване на интроните, или "боклучните" последователности, и свързвайки оставащите добри последователности (екзони)

След като е преминала през тези стъпки, РНК е зряла иРНК. Тя може да излезе от ядрото и да бъде използвана за производство на протеин.

5' шапка и поли-А опашка

И двата края на пре-иРНК биват модифицирани чрез добавянето на химични групи. Групата в началото (5' края) се нарича шапка, докато групата в края (3' края) се нарича опашка. И шапката, и опашката защитават транскрипта и му помагат да бъде експортиран от ядрото и транслиран в рибозомите (протеин-създаващи "машини"), срещащи се в цитозола

^{1}

5' шапката бива добавена към първия нуклеотид в транскрипта по време на транскрипция. Шапката е модифициран гуанинов (Г) нуклеотид и защитава транскрипта от разграждане. Също помага на рибозомата да се прикрепи към иРНК и да започне да я разчита, за да изгради протеин.

Как се добавя поли-А опашка? 3' краят на РНК се образува по странен начин. Когато последователност, наречена полиаденилационен сигнал, се появи в РНК молекула по време на транскрипция, един ензим разрязва РНК на две на това място. Друг ензим добавя около

100

-

200

аденинови (А) нуклеотиди към отрязания край, образувайки поли-А опашка. Опашката прави транскрипта по-стабилен и му помага да бъде експортиран от ядрото в цитозола.

РНК сплайсинг

Третото голямо събитие за обработване на РНК, което се случва в клетките ти, е РНК сплайсинг. При РНК сплайсинг специфични части от пре-иРНК, наречени интрони, биват разпознати и премахнати от протеин-и-РНК комплекс, наречен сплайсеозома. Интроните могат да бъдат приети за "боклучните" последователности, които трябва да бъдат отрязани, така че "добрите части" на РНК молекулата да могат да бъдат сглобени.

Какви са "добрите части"? Частите от РНК, които не са изрязани, се наричат екзони. Екзоните биват слепени заедно от сплайсеозома, за да се изгради крайната, зряла иРНК, която бива изнесена от ядрото.

Ключова точка тук е, че това са само екзоните на един ген, които кодират протеин. Интроните не само че не носят информация за изграждане на протеина, но те трябва да бъдат премахнати, за да може иРНК да кодира протеина с правилната последователност. Ако сплайсеозомата не успее да премахне един интрон, ще се получи иРНК с допълнителен "боклук" и по време на транслация ще бъде произведен грешен протеин.

Сплайсингът трябва да бъде точен и последователен. Това внимателно изрязване и слепване е извършено от сплайсеозомата, ензимен комплекс, изграден от протеин и малки РНК-и. Повечето интрони съдържат маркерни последователности в двата си края, които биват разпознати от малките РНК-и и насочват сплайсеозомата да премахне интрона. След като интронът е бил изрязан, сплайсеозомата ще "залепи" (лигира) страничните екзони заедно.

Алтернативен сплайсинг

Защо е нужен процесът сплайсинг? Не знаем със сигурност защо съществува сплайсингът и, в определен смисъл, той изглежда като прахосническа система. Но сплайсингът позволява протичането на процес, наречен алтернативен сплайсинг, при който от един и същ ген може да бъде получена повече от една иРНК. Чрез алтернативния сплайсинг ние (и други еукариоти) можем да кодираме повече на брой протеини от броя на гените в нашето ДНК.

При алтернативния сплайсинг една пре-иРНК може да бъде изрязана по един от два (или понякога много повече от два!) различни начина. Например на диаграмата по-долу показаната пре-иРНК може да бъде разрязана по три различни начина в зависимост от това кои екзони се запазват. Това води до получаването на три различни зрели иРНК-и, всяка от които се транслира в протеин с различна структура.

_Изображение на: "DNA, alternative splicing," от the National Human Genome Research Institute (публичен домейн)._

Страхотен въпрос! Професионалните биолози също биха искали да знаят отговора. Не е напълно ясно защо интроните и сплайсингът са толкова широко разпространени при еукариотите.

Една възможност е, че сплайсингът като цяло позволява алтернативен сплайсинг, който изглежда е важен за еукариотите (като им позволява да изградят повече различни протеини от единичен ген). Също, интроните понякога съдържат регулаторни последователности, които контролират експресирането на един ген (не са точно "боклукчави")

^{2}

. Понякога малки РНК-и, които регулират генната експресия, идват от интрони, които са изрязани

^{3}

. Също, съществуването на екзони и интрони може да улесни образуването на нови гени и алели чрез мутационни събития, които смесват и съчетават генни отрязъци, което би имало еволюционни предимства

^{2, 4}

Опитай самостоятелно: "Разрежи" съобщението

Мисията ти, ако я приемеш: декодирай следното топ-секретно съобщение. Първо премахни "боклукчавите" букви, оцветени в лилаво и подчертани. След това постави оставащите букви в групи по три, започвайки от началото.

THEDOGR

\underset{―}{AMAPQ}

ANANDA

\underset{―}{ZAPTQM}

TETHEHAT

Опита ли?

След премахването на лилавите последователности трябва да получиш тази поредица букви:
Ако групира останалите букви в групи от три, трябва да получиш това съобщение:

Процесът, през който току-що премина, е това, което клетките ти трябва да правят, когато експресират един ген. Както обсъдихме по-рано в тази статия, повечето еукариотни пре-иРНК-и съдържат "боклукчави" последователности, наречени интрони, които са като лилавите букви в съобщението. Тези последователности трябва да бъдат премахнати и смислените последователности (екзони), еквивалентни на кафевите букви в по-горното съобщение, трябва да бъдат свързани в едно, за да изградят зряла иРНК.

По време на транслация иРНК последователността бива прочетена на групи по три нуклеотида. Всяка трибуквена "дума" съответства на аминокиселина, която бива добавена към полипептид (протеин или протеинова субединица). Ако РНК не е била разрязана, тя ще съдържа допълнителни нуклеотиди, които не трябва да съдържа, което ще доведе до неправилно протеиново "съобщение". Нещо подобно се случва, ако опитаме да декодираме съобщението по-горе без да премахваме лилавите букви:

THE DOG R

\underset{―}{AM APQ}

ANA NDA

\underset{―}{ZAP TQM}

TET HEH AT

Точно както премахването на лилавите букви от изречението е ключово за получаване на точното съобщение, така и сплайсингът е ключов за гарантиране, че иРНК носи точната информация (и насочва производството на правилния полипептид).

Ето пре-иРНК последователност, като екзоните са с удебелени кафеви букви и един интрон е с подчертани лилави букви:

5’- … АУГЦАЦУАУ

\underset{―}{ГУАУГУГЦЦУУУУУГУГЦУГУГ}

ГААГЦГУАА … -3’

Ако пре-иРНК бива правилно разрязана, нуклеотидите на зрялата иРНК биват разчетени в групи от по три, както следва, произвеждайки полипептида, показан по-долу:

5’- … АУГ ЦАЦ АУА

ГAA ГЦГ УAA … -3’

Мет - Хис - Тир - Глу - Ала - СТОП

Ако интронът не се премахне от пре-иРНК, получаващата се анормална иРНК съдържа допълнителни нуклеотиди. Когато нуклеотидите бъдат прочетени в групи от три, както е показано по-долу, ще се получи полипептид с неправилна аминокиселинна последователност. Той съдържа много допълнителни аминокиселини, а аминокиселините, специфицирани от втория екзон, не са добавени правилно (понеже рамката за разчитане е преместена):

5’- … АУГ ЦАЦ УАУ

\underset{―}{ГУА УГУ ГЦЦ УУУ УУГ УГЦ УГУ Г}

ГА АГЦ ГУА A … -3’

Мет - Хис - Тир - Вал - Цис - Ала - Фе - Лев - Цес - Цис - Глу - Сер - Вал …

Всички връзки на групите нуклеотиди и аминокиселините, които те кодират, могат да се определят чрез таблицата на генетичния код:

Интронна последователност, модифицирана от Bourdin et al.

^{4}

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Alteration of mRNA ends. In Campbell biology (10th ed., p. 342-343). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The functional and evolutionary importance of introns. In Campbell biology (10th ed., p. 344). San Francisco, CA: Pearson.
Keren, H., Lev-Maor, G., and Ast, G. (2010). Alternative splicing and evolution: diversification, exon definition and function. Nature Reviews Genetics, 11, 345-355. http://dx.doi.org/10.1038/nrg2776. Retrieved from https://www.tau.ac.il/~gilast/PAPERS/nrg2776.pdf.
Standage, D. (2012, April 8). Why do eukaryotic organisms have introns in their DNA? [Answer] In Biology stack exchange. Retrieved from http://biology.stackexchange.com/questions/1724/why-do-eukaryotic-organisms-have-introns-in-their-dna.
Bourdin, C. M., Moignot, B., Wang, L., Murillo, L., Juchaux, M., Quinchard, S., Lapied, B., Guérineau, N. C., Dong, K., and Legros, C. (2013). Intron retention in mRNA encoding ancillary subunit of insect voltage-gated sodium channel modulates channel expression, gating regulation and drug sensitivity. PLoS ONE, 8(8), e67290. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0067290.

Допълнителни източници:

3'-end cleavage and polyadenylation. (2016). In Nobelprize.org. Retrieved from http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/a/splicing/splicing_endformation.html.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). Posttranscriptional controls. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26890/.

Intron/introns. (2014). In Scitable. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/definition/intron-introns-67.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Processing of eukaryotic mRNA. In Molecular cell biology (4th ed., section 11.2). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21563/.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Transcription termination. In Molecular cell biology (4th ed., section 11.1). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21601/.

Polyadenylation. (2016, January 24). Retrieved February 11, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Polyadenylation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Genes and how they work. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 278-303). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Eukaryotic cells modify RNA after transcription . In Campbell biology (10th ed., p. 342-345). San Francisco, CA: Pearson.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.