Анатомия генов: экзоны, интроны и варианты сплайсинга

Эукариотические гены сегментированы: их кодирующие белок инструкции (экзоны) прерываются некодирующими участками (интронами), которые транскрибируются, но затем удаляются до использования сообщения. Выбирая, какие экзоны сохранить, один ген может производить несколько различных мРНК и белков посредством альтернативного сплайсинга, что делает экзон-интронную анатомию основным источником биологической сложности.

Definition

Экзоны — это сегменты гена, сохраняющиеся в зрелой РНК, интроны — это промежуточные сегменты, удаляемые во время процессинга РНК, а варианты сплайсинга (изоформы) — это различные зрелые транскрипты, образующиеся, когда экзоны гена соединяются в различных комбинациях.

Scope

Эта тема охватывает экзон-интронную архитектуру генов, процесс сплайсинга, который удаляет интроны и соединяет экзоны, а также альтернативный сплайсинг как механизм, генерирующий множественные варианты транскриптов из одного гена. Она рассматривает анатомию генов как справочный и образовательный материал; механизмы заболеваний, связанных со сплайсингом, описываются в общих чертах, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Чем экзон отличается от интрона?
• Как сплайсинг точно удаляет интроны и соединяет экзоны?
• Как альтернативный сплайсинг производит несколько белков из одного гена?
• Почему нарушение сайта сплайсинга изменяет функцию гена?

Key concepts

• Экзон
• Интрон
• Сегментированный (прерывистый) ген
• Сплайсинг пре-мРНК и сплайсосома
• Сайты донора и акцептора сплайсинга
• Альтернативный сплайсинг
• Изоформа транскрипта
• Конститутивные и альтернативные экзоны

Mechanisms

После транскрипции сплайсосома распознает последовательности на границах интронов — сайты донора (5') и акцептора (3') сплайсинга — и вырезает каждый интрон, лигируя фланкирующие экзоны в непрерывную зрелую РНК. Поскольку включение экзонов регулируется, ген может собирать различные комбинации своих экзонов в разных клетках или условиях, что приводит к образованию альтернативных вариантов сплайсинга из одного локуса; это значительно расширяет белок-кодирующую способность генома. Паттерн альтернативного сплайсинга сам по себе эволюционно изменчив и тканеспецифичен, что способствует различиям между типами клеток и видами.

Clinical relevance

Варианты, которые попадают в сайты сплайсинга или которые создают или разрушают сигналы сплайсинга, могут изменять включение экзонов и, следовательно, изменять или отменять продукт гена, поэтому варианты, влияющие на сплайсинг, являются важным классом в интерпретации вариантов. Эта тема описывает структурную основу таких эффектов для справки и образования и не предоставляет диагностических или лечебных рекомендаций.

Epidemiology

Альтернативный сплайсинг широко распространен: подавляющее большинство человеческих мультиэкзонных генов продуцируют более одного варианта сплайсинга, а распространенность и паттерн сплайсинга заметно различаются в разных тканях и у разных видов позвоночных, что делает его почти универсальной особенностью экспрессии эукариотических генов, а не исключением.

Evidence & guidelines

Модель сегментированного гена основана на прямом доказательстве того, что последовательности мРНК прерывисты по отношению к их генам, а масштабы альтернативного сплайсинга были количественно оценены в исследованиях всего транскриптома, показывающих как его распространенность, так и его эволюционное расхождение между видами.

History

В 1977 году две группы независимо друг от друга показали, что мРНК аденовируса сплайсируются из сегментов, разделенных в геноме, выявив, что гены могут быть прерваны интронами; это опровергло предположение о колинеарности и привело к концепции сегментированного гена. Последующая работа установила сплайсинг как регулируемый процесс, а альтернативный сплайсинг — как широко распространенный генератор разнообразия протеома.

Key figures

• Phillip Sharp
• Richard Roberts
• Susan Berget
• Benjamin Blencowe

Seminal works

• berget-1977
• nilsen-graveley-2010
• barbosa-morais-2012

Frequently asked questions

Являются ли интроны просто бесполезным наполнителем?

Нет. Интроны удаляются из зрелого сообщения, но они несут сигналы сплайсинга, могут содержать регуляторные элементы и некодирующие РНК, а их присутствие обеспечивает альтернативный сплайсинг, поэтому они являются функционально важными частями анатомии гена.

Как один ген может производить несколько белков?

Посредством альтернативного сплайсинга: включая или пропуская определенные экзоны, клетка собирает различные зрелые мРНК из одного и того же гена, каждая из которых может быть транслирована в отдельную белковую изоформу.