Альтернативный сплайсинг и функция некодирующих РНК

Альтернативный сплайсинг позволяет одному гену генерировать множество различных матричных РНК — и часто множество белков — путем соединения экзонов в различных комбинациях, значительно расширяя функциональный выход генома. Некодирующие РНК, транскрипты, которые не транслируются в белок, добавляют дополнительный регуляторный уровень, воздействуя на транскрипцию, сплайсинг, стабильность РНК и хроматин. Вместе эти явления объясняют, как скромное число генов поддерживает сложность транскриптома.

Definition

Альтернативный сплайсинг — это регулируемый процесс, при котором различные комбинации экзонов из одной пре-матричной РНК соединяются для получения различных зрелых транскриптов, в то время как функция некодирующих РНК относится к регуляторным и структурным ролям транскриптов РНК, которые не транслируются в белок.

Scope

Эта тема охватывает регулируемый процесс альтернативного сплайсинга (включение и пропуск экзонов, выбор сайтов сплайсинга и разнообразие изоформ) и основные классы и функции некодирующих РНК, от малых регуляторных РНК до длинных некодирующих РНК. Это концептуальный и методологический справочник в области транскриптомики, не содержащий клинических рекомендаций.

Core questions

• Как распознаются и выбираются сайты сплайсинга, чтобы один ген давал несколько изоформ транскриптов?
• Как альтернативный сплайсинг расширяет разнообразие протеома и транскриптома?
• Каковы основные классы некодирующих РНК и как они регулируют экспрессию генов?
• Как высокопроизводительные методы обнаруживают изоформы и количественно определяют некодирующие транскрипты?

Key concepts

• Экзоны, интроны и сплайсосома
• Включение и пропуск экзонов
• Определение сайтов сплайсинга и экзонов
• Разнообразие изоформ транскриптов
• Малые регуляторные РНК (например, микроРНК)
• Длинные некодирующие РНК (днРНК)
• Посттранскрипционная регуляция
• Регуляторные элементы и факторы сплайсинга

Mechanisms

Во время сплайсинга сплайсосома удаляет интроны из пре-матричной РНК и лигирует экзоны; когда выбор сайта сплайсинга регулируется, одна и та же пре-мРНК может быть обработана в различные зрелые транскрипты путем включения экзона, пропуска экзона или альтернативного использования сайтов сплайсинга и начала/конца. Распознавание правильных границ зависит от последовательностей сайтов сплайсинга и от регуляторных элементов, связанных факторами сплайсинга, поэтому определение экзонов является тонко настроенным процессом, как было рассмотрено Кереном и коллегами. Некодирующие РНК действуют через комплементарные механизмы: короткие регуляторные РНК направляют репрессию целевых матричных РНК, в то время как длинные некодирующие РНК могут служить каркасом для белковых комплексов, направлять модификаторы хроматина или модулировать транскрипцию, как было рассмотрено Понтингом и коллегами. Широкомасштабные исследования генома, такие как проект ENCODE, показали, что большая часть генома транскрибируется в некодирующие РНК, что подчеркивает широту этого регуляторного слоя; методы секвенирования, которые захватывают сплайс-соединения, позволяют обнаруживать и количественно определять изоформы и некодирующие транскрипты.

Clinical relevance

Аберрантный сплайсинг и дисрегулированные некодирующие РНК вовлечены во многие заболевания и являются областью активных исследований биомаркеров и терапевтических средств. В качестве справочной темы эта статья объясняет, как описывается и измеряется биология изоформ и некодирующих РНК; она не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Evidence & guidelines

Справочные обзоры включают работы Керена и коллег по альтернативному сплайсингу и определению экзонов, а также Понтинга и коллег по функции длинных некодирующих РНК, дополненные широкомасштабными исследованиями транскрипции генома из проекта ENCODE. Это методологические и концептуальные ссылки, а не клинические рекомендации.

History

Открытие расщепленных генов и сплайсинга РНК в конце 1970-х годов показало, что экзоны могут комбинироваться альтернативными способами, и в последующие десятилетия альтернативный сплайсинг был признан повсеместным источником разнообразия транскриптов и белков. Параллельно исследование некодирующих РНК расширилось от нескольких хорошо известных функциональных РНК до больших классов малых регуляторных и длинных некодирующих транскриптов, а широкомасштабные проекты генома с 2000-х годов задокументировали широко распространенную некодирующую транскрипцию, переосмыслив большую часть генома как функционально транскрибируемую.

Debates

Какая часть некодирующей транскрипции является функциональной?

Широкомасштабные исследования генома показывают, что большая часть генома транскрибируется в некодирующие РНК, но разграничение транскриптов с биологической функцией от транскрипционного шума остается спорным, и функциональная аннотация длинных некодирующих РНК отстает от их открытия.

Key figures

• Gil Ast
• Chris P. Ponting
• Wolf Reik

Seminal works

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

Frequently asked questions

Как один ген может производить несколько различных белков?

Посредством альтернативного сплайсинга экзоны пре-матричной РНК одного гена могут соединяться в различных комбинациях, производя различные зрелые транскрипты, которые могут транслироваться в различные изоформы белков. Это значительно расширяет функциональное разнообразие без увеличения числа генов.

Если некодирующие РНК не транслируются, как они действуют?

Они функционируют как молекулы РНК, а не как матрицы для белка. Малые регуляторные РНК могут направлять репрессию целевых матричных РНК, в то время как длинные некодирующие РНК могут служить каркасом для белковых комплексов, направлять аппараты модификации хроматина или влиять на транскрипцию.