Alternatives Spleißen und die Funktion nicht-kodierender RNA

Alternatives Spleißen ermöglicht es einem einzelnen Gen, mehrere unterschiedliche Boten-RNAs – und oft auch mehrere Proteine – zu erzeugen, indem Exons in verschiedenen Kombinationen zusammengefügt werden, was die funktionelle Leistung des Genoms erheblich erweitert. Nicht-kodierende RNAs, Transkripte, die nicht in Proteine übersetzt werden, fügen eine weitere regulatorische Ebene hinzu, indem sie auf Transkription, Spleißen, RNA-Stabilität und Chromatin einwirken. Zusammen erklären diese Phänomene, wie eine bescheidene Anzahl von Genen die Komplexität des Transkriptoms unterstützt.

Definition

Alternatives Spleißen ist der regulierte Prozess, bei dem verschiedene Kombinationen von Exons aus einer einzelnen prä-Boten-RNA zusammengefügt werden, um unterschiedliche reife Transkripte zu erzeugen, während die Funktion nicht-kodierender RNA die regulatorischen und strukturellen Rollen von RNA-Transkripten bezeichnet, die nicht in Proteine übersetzt werden.

Scope

Dieses Thema behandelt den regulierten Prozess des alternativen Spleißens (Exon-Inklusion und -Skipping, Spleißstellenwahl und Isoform-Diversität) sowie die Hauptklassen und Funktionen nicht-kodierender RNA, von kleinen regulatorischen RNAs bis hin zu langen nicht-kodierenden RNAs. Es ist eine konzeptionelle und methodische Referenz innerhalb der Transkriptomik und bietet keine klinische Anleitung.

Core questions

• Wie werden Spleißstellen erkannt und ausgewählt, sodass ein Gen mehrere Transkriptisoformen hervorbringt?
• Wie erweitert alternatives Spleißen die Proteom- und Transkriptom-Diversität?
• Was sind die Hauptklassen nicht-kodierender RNA und wie regulieren sie die Genexpression?
• Wie detektieren Hochdurchsatzmethoden Isoformen und quantifizieren nicht-kodierende Transkripte?

Key concepts

• Exons, Introns und das Spleißosom
• Exon-Inklusion und -Skipping
• Spleißstellen- und Exon-Definition
• Transkript-Isoform-Diversität
• Kleine regulatorische RNAs (z. B. microRNAs)
• Lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs)
• Posttranskriptionelle Regulation
• Spleiß-regulatorische Elemente und Faktoren

Mechanisms

Während des Spleißens entfernt das Spleißosom Introns aus einer prä-Boten-RNA und ligiert Exons; wenn die Wahl der Spleißstelle reguliert ist, kann dieselbe prä-mRNA durch Exon-Inklusion, Exon-Skipping oder alternative Spleißstellen- und Start-/Endnutzung zu verschiedenen reifen Transkripten verarbeitet werden. Die Erkennung der korrekten Grenzen hängt von Spleißstellensequenzen und von regulatorischen Elementen ab, die von Spleißfaktoren gebunden werden, weshalb die Exon-Definition ein fein abgestimmter Prozess ist, wie von Keren und Kollegen beschrieben. Nicht-kodierende RNAs wirken durch komplementäre Mechanismen: Kurze regulatorische RNAs steuern die Repression von Ziel-Boten-RNAs, während lange nicht-kodierende RNAs Proteinkomplexe gerüstbildend unterstützen, Chromatin-Modifikatoren leiten oder die Transkription modulieren können, wie von Ponting und Kollegen untersucht. Genomweite Untersuchungen wie das ENCODE-Projekt zeigten, dass ein großer Teil des Genoms in nicht-kodierende RNA transkribiert wird, was die Breite dieser regulatorischen Ebene unterstreicht; Sequenzierungsmethoden, die Spleißstellen erfassen, ermöglichen die Detektion und Quantifizierung von Isoformen und nicht-kodierenden Transkripten.

Clinical relevance

Abweichendes Spleißen und fehlregulierte nicht-kodierende RNAs sind an vielen Krankheiten beteiligt und stellen einen Bereich aktiver Biomarker- und Therapieforschung dar. Als Referenzthema erklärt dieser Eintrag, wie die Biologie von Isoformen und nicht-kodierenden RNAs beschrieben und gemessen wird; er ist keine Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

Evidence & guidelines

Referenzübersichten umfassen Keren und Kollegen zum alternativen Spleißen und zur Exon-Definition sowie Ponting und Kollegen zur Funktion langer nicht-kodierender RNA, ergänzt durch genomweite Transkriptionsstudien aus dem ENCODE-Projekt. Dies sind methodische und konzeptionelle Referenzen und keine klinischen Leitlinien.

History

Die Entdeckung von gespaltenen Genen und RNA-Spleißen in den späten 1970er Jahren zeigte, dass Exons auf alternative Weisen kombiniert werden können, und in den folgenden Jahrzehnten wurde alternatives Spleißen als eine weit verbreitete Quelle der Transkript- und Proteindiversität erkannt. Parallel dazu erweiterte sich die Untersuchung nicht-kodierender RNA von einigen bekannten funktionellen RNAs zu großen Klassen kleiner regulatorischer und langer nicht-kodierender Transkripte, und genomweite Projekte ab den 2000er Jahren dokumentierten eine weit verbreitete nicht-kodierende Transkription, wodurch ein Großteil des Genoms als funktionell transkribiert neu eingeordnet wurde.

Debates

Wie viel nicht-kodierende Transkription ist funktionell?

Genomweite Untersuchungen zeigen, dass ein Großteil des Genoms in nicht-kodierende RNA transkribiert wird, aber die Unterscheidung zwischen Transkripten mit biologischer Funktion und transkriptionellem Rauschen bleibt umstritten, und die funktionelle Annotation langer nicht-kodierender RNAs hinkt ihrer Entdeckung hinterher.

Key figures

• Gil Ast
• Chris P. Ponting
• Wolf Reik

Seminal works

• keren-2010
• ponting-2009
• encode-2012

Frequently asked questions

Wie kann ein Gen mehrere verschiedene Proteine produzieren?

Durch alternatives Spleißen können die Exons der prä-Boten-RNA eines einzelnen Gens in verschiedenen Kombinationen zusammengefügt werden, wodurch unterschiedliche reife Transkripte entstehen, die in verschiedene Proteinisoformen übersetzt werden können. Dies erweitert die funktionelle Diversität erheblich, ohne die Genanzahl zu erhöhen.

Wenn nicht-kodierende RNAs nicht übersetzt werden, wie wirken sie dann?

Sie fungieren als RNA-Moleküle und nicht als Vorlagen für Proteine. Kleine regulatorische RNAs können die Repression von Ziel-Boten-RNAs steuern, während lange nicht-kodierende RNAs Proteinkomplexe gerüstbildend unterstützen, Chromatin-modifizierende Maschinerie leiten oder die Transkription beeinflussen können.