Εναλλακτικό μάτισμα και λειτουργία μη κωδικοποιητικού RNA

Το εναλλακτικό μάτισμα επιτρέπει σε ένα μόνο γονίδιο να παράγει πολλαπλά διακριτά αγγελιαφόρα RNA — και συχνά πολλαπλές πρωτεΐνες — συνδέοντας εξόνια σε διαφορετικούς συνδυασμούς, διευρύνοντας σημαντικά τη λειτουργική έξοδο του γονιδιώματος. Τα μη κωδικοποιητικά RNA, δηλαδή τα μεταγραφήματα που δεν μεταφράζονται σε πρωτεΐνη, προσθέτουν έναν επιπλέον ρυθμιστικό επίπεδο, δρώντας στη μεταγραφή, το μάτισμα, τη σταθερότητα του RNA και την πρόσβαση στη χρωματίνη. Αυτά τα φαινόμενα, συνολικά, εξηγούν πώς ένας μέτριος αριθμός γονιδίων υποστηρίζει την πολυπλοκότητα του μεταγραφώματος.

Definition

Το εναλλακτικό μάτισμα είναι η ρυθμιζόμενη διαδικασία κατά την οποία διαφορετικοί συνδυασμοί εξονίων από ένα μόνο πρόδρομο αγγελιαφόρο RNA συνδέονται για να παράγουν διακριτά ώριμα μεταγραφήματα, ενώ η λειτουργία του μη κωδικοποιητικού RNA αναφέρεται στους ρυθμιστικούς και δομικούς ρόλους μεταγραφημάτων RNA που δεν μεταφράζονται σε πρωτεΐνη.

Scope

Το θέμα αυτό καλύπτει τη ρυθμιζόμενη διαδικασία εναλλακτικού ματίσματος (συμπερίληψη και παράλειψη εξονίων, επιλογή θέσης ματίσματος και ποικιλία ισομορφών) καθώς και τις κύριες κατηγορίες και λειτουργίες μη κωδικοποιητικού RNA, από μικρά ρυθμιστικά RNA έως μεγάλα μη κωδικοποιητικά RNA. Αποτελεί εννοιολογική και μεθοδολογική αναφορά στο πεδίο της μεταγραφωματικής και δεν παρέχει κλινική καθοδήγηση.

Core questions

• Πώς αναγνωρίζονται και επιλέγονται οι θέσεις ματίσματος ώστε ένα γονίδιο να παράγει διάφορες ισομορφές μεταγραφήματος;
• Πώς διευρύνει το εναλλακτικό μάτισμα την ποικιλότητα πρωτεώματος και μεταγραφώματος;
• Ποιες είναι οι κύριες κατηγορίες μη κωδικοποιητικού RNA και πώς ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων;
• Πώς ανιχνεύουν μέθοδοι υψηλής απόδοσης ισομορφές και ποσοτικοποιούν μη κωδικοποιητικά μεταγραφήματα;

Key concepts

• Εξόνια, ιντρόνια και σπλαϊσεόσωμα
• Συμπερίληψη και παράλειψη εξονίων
• Ορισμός θέσης ματίσματος και εξονίου
• Ποικιλότητα ισομορφών μεταγραφήματος
• Μικρά ρυθμιστικά RNA (π.χ. microRNA)
• Μεγάλα μη κωδικοποιητικά RNA (lncRNA)
• Μετα-μεταγραφική ρύθμιση
• Ρυθμιστικά στοιχεία και παράγοντες ματίσματος

Mechanisms

Κατά το μάτισμα, το σπλαϊσεόσωμα αφαιρεί τα ιντρόνια από ένα πρόδρομο αγγελιαφόρο RNA και συνδέει τα εξόνια· όταν η επιλογή θέσης ματίσματος ρυθμίζεται, το ίδιο πρόδρομο mRNA μπορεί να επεξεργαστεί σε διαφορετικά ώριμα μεταγραφήματα μέσω συμπερίληψης εξονίων, παράλειψης εξονίων ή εναλλακτικής επιλογής θέσεων ματίσματος και αρχής/τέλους. Η αναγνώριση των ορθών ορίων εξαρτάται από αλληλουχίες θέσεων ματίσματος και ρυθμιστικά στοιχεία που δεσμεύονται από παράγοντες ματίσματος, γι' αυτό ο ορισμός εξονίων αποτελεί λεπτά ρυθμιζόμενη διαδικασία, όπως αναλύεται από τους Keren και συνεργάτες. Τα μη κωδικοποιητικά RNA λειτουργούν μέσω συμπληρωματικών μηχανισμών: τα μικρά ρυθμιστικά RNA κατευθύνουν την καταστολή των μεταγραφημάτων-στόχων, ενώ τα μεγάλα μη κωδικοποιητικά RNA μπορούν να λειτουργούν ως ικρίωμα για πρωτεϊνικά σύμπλοκα, να κατευθύνουν τροποποιητές χρωματίνης ή να ρυθμίζουν τη μεταγραφή, όπως σκιαγραφείται από τους Ponting και συνεργάτες. Ευρέως γονιδιωματικές μελέτες, όπως το πρόγραμμα ENCODE, έδειξαν ότι μεγάλο μέρος του γονιδιώματος μεταγράφεται σε μη κωδικοποιητικό RNA, υπογραμμίζοντας την έκταση αυτού του ρυθμιστικού επιπέδου· μέθοδοι αλληλούχισης που καταγράφουν θέσεις ματίσματος επιτρέπουν την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση ισομορφών και μη κωδικοποιητικών μεταγραφημάτων.

Clinical relevance

Παθολογικό μάτισμα και απορυθμισμένα μη κωδικοποιητικά RNA εμπλέκονται σε πολλές νόσους και αποτελούν ενεργό πεδίο έρευνας βιοδεικτών και θεραπείας. Ως θέμα αναφοράς, η παρούσα καταχώρηση εξηγεί πώς περιγράφεται και μετράται η βιολογία ισομορφών και μη κωδικοποιητικού RNA· δεν αποτελεί βάση για μεμονωμένες διαγνωστικές ή θεραπευτικές αποφάσεις.

Evidence & guidelines

Οι βασικές ανασκοπήσεις περιλαμβάνουν τους Keren και συνεργάτες για το εναλλακτικό μάτισμα και τον ορισμό εξονίων, καθώς και τους Ponting και συνεργάτες για τη λειτουργία μεγάλων μη κωδικοποιητικών RNA, σε συνδυασμό με ευρέως γονιδιωματικές μελέτες μεταγραφής από το πρόγραμμα ENCODE. Αυτές αποτελούν μεθοδολογικές και εννοιολογικές αναφορές, όχι κλινικές κατευθυντήριες οδηγίες.

History

Η ανακάλυψη διακοπτόμενων γονιδίων και ματίσματος RNA στα τέλη της δεκαετίας του 1970 αποκάλυψε ότι τα εξόνια μπορούν να συνδυαστούν με εναλλακτικούς τρόπους, και κατά τις επόμενες δεκαετίες το εναλλακτικό μάτισμα αναγνωρίστηκε ως διάχυτη πηγή ποικιλότητας μεταγραφήματος και πρωτεΐνης. Παράλληλα, η μελέτη μη κωδικοποιητικού RNA επεκτάθηκε από μερικά γνωστά λειτουργικά RNA σε μεγάλες κατηγορίες μικρών ρυθμιστικών και μεγάλων μη κωδικοποιητικών μεταγραφημάτων, ενώ ευρέως γονιδιωματικά προγράμματα από τη δεκαετία του 2000 τεκμηρίωσαν εκτεταμένη μη κωδικοποιητική μεταγραφή, επαναπλαισιώνοντας μεγάλο τμήμα του γονιδιώματος ως λειτουργικά μεταγραφόμενο.

Debates

Πόση από τη μη κωδικοποιητική μεταγραφή έχει λειτουργική σημασία;

Ευρέως γονιδιωματικές μελέτες δείχνουν ότι μεγάλο μέρος του γονιδιώματος μεταγράφεται σε μη κωδικοποιητικό RNA, ωστόσο η διάκριση μεταξύ μεταγραφημάτων βιολογικής λειτουργίας και μεταγραφικού θορύβου παραμένει αμφιλεγόμενη, ενώ η λειτουργική καταγραφή μεγάλων μη κωδικοποιητικών RNA υστερεί σε σχέση με την ανακάλυψή τους.

Key figures

• Gil Ast
• Chris P. Ponting
• Wolf Reik

Seminal works

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

Frequently asked questions

Πώς μπορεί ένα γονίδιο να παράγει διάφορες διαφορετικές πρωτεΐνες;

Μέσω εναλλακτικού ματίσματος, τα εξόνια του πρόδρομου αγγελιαφόρου RNA ενός γονιδίου μπορούν να συνδυαστούν με διαφορετικούς τρόπους, παράγοντας διακριτά ώριμα μεταγραφήματα που ενδέχεται να μεταφραστούν σε διαφορετικές ισομορφές πρωτεΐνης. Αυτό διευρύνει σημαντικά τη λειτουργική ποικιλότητα χωρίς αύξηση του αριθμού των γονιδίων.

Αν τα μη κωδικοποιητικά RNA δεν μεταφράζονται, πώς δρουν;

Λειτουργούν ως μόρια RNA και όχι ως εκμαγεία για πρωτεΐνη. Τα μικρά ρυθμιστικά RNA μπορούν να κατευθύνουν την καταστολή μεταγραφημάτων-στόχων, ενώ τα μεγάλα μη κωδικοποιητικά RNA μπορούν να λειτουργούν ως ικρίωμα για πρωτεϊνικά σύμπλοκα, να κατευθύνουν μηχανισμούς τροποποίησης χρωματίνης ή να επηρεάζουν τη μεταγραφή.