การเชื่อมต่อทางเลือกและการทำงานของ RNA ที่ไม่เข้ารหัส

การเชื่อมต่อทางเลือก (alternative splicing) ช่วยให้ยีนเดียวสามารถสร้าง messenger RNA ที่แตกต่างกันได้หลายชนิด และบ่อยครั้งก็สร้างโปรตีนได้หลายชนิด โดยการรวมเอ็กซอน (exon) ในรูปแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นการเพิ่มผลผลิตเชิงหน้าที่ของจีโนม (genome) อย่างมาก RNA ที่ไม่เข้ารหัส (non-coding RNA) ซึ่งเป็นทรานสคริปต์ (transcript) ที่ไม่ถูกแปลเป็นโปรตีน จะเพิ่มชั้นการควบคุมอีกชั้นหนึ่ง โดยมีผลต่อการถอดรหัส (transcription) การเชื่อมต่อ (splicing) ความเสถียรของ RNA และโครมาติน (chromatin) ปรากฏการณ์เหล่านี้ร่วมกันอธิบายว่ายีนจำนวนไม่มากสามารถรองรับความซับซ้อนของทรานสคริปโตม (transcriptome) ได้อย่างไร

Definition

การเชื่อมต่อทางเลือกคือกระบวนการที่มีการควบคุมซึ่งการรวมกันของเอ็กซอนที่แตกต่างกันจาก pre-messenger RNA เดียวกันจะถูกเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างทรานสคริปต์ที่สมบูรณ์ที่แตกต่างกัน ในขณะที่หน้าที่ของ RNA ที่ไม่เข้ารหัสหมายถึงบทบาทในการควบคุมและโครงสร้างของทรานสคริปต์ RNA ที่ไม่ถูกแปลเป็นโปรตีน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการที่มีการควบคุมของการเชื่อมต่อทางเลือก (การรวมและการข้ามเอ็กซอน การเลือกตำแหน่งการเชื่อมต่อ และความหลากหลายของไอโซฟอร์ม) และประเภทหลักๆ รวมถึงหน้าที่ของ RNA ที่ไม่เข้ารหัส ตั้งแต่ RNA ควบคุมขนาดเล็กไปจนถึง RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาว หัวข้อนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงแนวคิดและระเบียบวิธีวิจัยภายในสาขาวิชาทรานสคริปโตมิกส์ และไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• ตำแหน่งการเชื่อมต่อถูกจดจำและเลือกอย่างไรเพื่อให้ยีนหนึ่งสร้างไอโซฟอร์มของทรานสคริปต์ได้หลายชนิด?
• การเชื่อมต่อทางเลือกเพิ่มความหลากหลายของโปรตีโอเม (proteome) และทรานสคริปโตมได้อย่างไร?
• RNA ที่ไม่เข้ารหัสมีประเภทหลักๆ อะไรบ้าง และควบคุมการแสดงออกของยีนได้อย่างไร?
• วิธีการที่มีปริมาณงานสูงตรวจจับไอโซฟอร์มและหาปริมาณทรานสคริปต์ที่ไม่เข้ารหัสได้อย่างไร?

Key concepts

• เอ็กซอน อินตรอน และสไปลโซโซม
• การรวมและการข้ามเอ็กซอน
• การกำหนดตำแหน่งการเชื่อมต่อและเอ็กซอน
• ความหลากหลายของไอโซฟอร์มของทรานสคริปต์
• RNA ควบคุมขนาดเล็ก (เช่น ไมโคร RNA)
• RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาว (lncRNA)
• การควบคุมหลังการถอดรหัส
• องค์ประกอบและปัจจัยควบคุมการเชื่อมต่อ

Mechanisms

ในระหว่างการเชื่อมต่อ สไปลโซโซม (spliceosome) จะกำจัดอินตรอน (intron) ออกจาก pre-messenger RNA และเชื่อมเอ็กซอนเข้าด้วยกัน เมื่อการเลือกตำแหน่งการเชื่อมต่อถูกควบคุม pre-mRNA เดียวกันสามารถถูกประมวลผลเป็นทรานสคริปต์ที่สมบูรณ์ที่แตกต่างกันได้ผ่านการรวมเอ็กซอน การข้ามเอ็กซอน หรือการใช้ตำแหน่งการเชื่อมต่อและจุดเริ่มต้น/สิ้นสุดทางเลือก การจดจำขอบเขตที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับลำดับของตำแหน่งการเชื่อมต่อและองค์ประกอบควบคุมที่ถูกจับโดยปัจจัยการเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการกำหนดเอ็กซอนจึงเป็นกระบวนการที่ละเอียดอ่อน ดังที่ Keren และคณะได้ทบทวนไว้ RNA ที่ไม่เข้ารหัสทำงานผ่านกลไกที่เสริมกัน: RNA ควบคุมขนาดเล็กจะนำการยับยั้ง messenger RNA เป้าหมาย ในขณะที่ RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาวสามารถทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับสำหรับโปรตีนเชิงซ้อน นำตัวปรับแต่งโครมาติน หรือปรับการถอดรหัส ดังที่ Ponting และคณะได้สำรวจไว้ การสำรวจทั่วทั้งจีโนม เช่น โครงการ ENCODE แสดงให้เห็นว่าจีโนมส่วนใหญ่ถูกถอดรหัสเป็น RNA ที่ไม่เข้ารหัส ซึ่งเน้นย้ำถึงความกว้างขวางของชั้นการควบคุมนี้ วิธีการจัดลำดับที่สามารถจับรอยต่อการเชื่อมต่อช่วยให้สามารถตรวจจับและหาปริมาณไอโซฟอร์มและทรานสคริปต์ที่ไม่เข้ารหัสได้

Clinical relevance

การเชื่อมต่อที่ผิดปกติและ RNA ที่ไม่เข้ารหัสที่ทำงานผิดปกติมีความเกี่ยวข้องกับโรคหลายชนิด และเป็นสาขาที่มีการวิจัยตัวบ่งชี้ทางชีวภาพและการรักษาอย่างแข็งขัน ในฐานะหัวข้ออ้างอิง ข้อมูลนี้จะอธิบายว่าชีววิทยาของไอโซฟอร์มและ RNA ที่ไม่เข้ารหัสถูกอธิบายและวัดผลอย่างไร ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

บทความทบทวนอ้างอิงรวมถึง Keren และคณะเกี่ยวกับการเชื่อมต่อทางเลือกและการกำหนดเอ็กซอน และ Ponting และคณะเกี่ยวกับหน้าที่ของ RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาว เสริมด้วยการสำรวจการถอดรหัสทั่วทั้งจีโนมจากโครงการ ENCODE สิ่งเหล่านี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงระเบียบวิธีและแนวคิดมากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

การค้นพบยีนแยกส่วนและการเชื่อมต่อ RNA ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 เผยให้เห็นว่าเอ็กซอนสามารถรวมกันได้ในรูปแบบทางเลือก และในช่วงหลายทศวรรษต่อมา การเชื่อมต่อทางเลือกได้รับการยอมรับว่าเป็นแหล่งที่มาของความหลากหลายของทรานสคริปต์และโปรตีนที่แพร่หลาย ในขณะเดียวกัน การศึกษา RNA ที่ไม่เข้ารหัสได้ขยายจาก RNA ที่มีหน้าที่เป็นที่รู้จักไม่กี่ชนิดไปสู่ RNA ควบคุมขนาดเล็กและทรานสคริปต์ไม่เข้ารหัสแบบยาวจำนวนมาก และโครงการทั่วทั้งจีโนมตั้งแต่ปี 2000 ได้บันทึกการถอดรหัสที่ไม่เข้ารหัสอย่างกว้างขวาง ซึ่งเป็นการปรับกรอบการทำงานของจีโนมส่วนใหญ่ให้เป็นการถอดรหัสที่มีหน้าที่

Debates

การถอดรหัสที่ไม่เข้ารหัสมีหน้าที่การทำงานมากน้อยเพียงใด?

การสำรวจทั่วทั้งจีโนมแสดงให้เห็นว่าจีโนมส่วนใหญ่ถูกถอดรหัสเป็น RNA ที่ไม่เข้ารหัส แต่การแยกแยะทรานสคริปต์ที่มีหน้าที่ทางชีวภาพออกจากสัญญาณรบกวนจากการถอดรหัสยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน และการระบุหน้าที่ของ RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาวยังคงล้าหลังกว่าการค้นพบ

Key figures

• Gil Ast
• Chris P. Ponting
• Wolf Reik

Seminal works

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

Frequently asked questions

ยีนเดียวสามารถสร้างโปรตีนที่แตกต่างกันได้หลายชนิดได้อย่างไร?

ผ่านการเชื่อมต่อทางเลือก เอ็กซอนของ pre-messenger RNA ของยีนเดียวสามารถรวมกันได้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดทรานสคริปต์ที่สมบูรณ์ที่แตกต่างกันซึ่งอาจถูกแปลเป็นไอโซฟอร์มของโปรตีนที่แตกต่างกัน สิ่งนี้ช่วยเพิ่มความหลากหลายเชิงหน้าที่อย่างมากโดยไม่ต้องเพิ่มจำนวนยีน

หาก RNA ที่ไม่เข้ารหัสไม่ถูกแปล แล้วมันทำงานได้อย่างไร?

พวกมันทำหน้าที่เป็นโมเลกุล RNA แทนที่จะเป็นแม่แบบสำหรับโปรตีน RNA ควบคุมขนาดเล็กสามารถนำการยับยั้ง messenger RNA เป้าหมายได้ ในขณะที่ RNA ไม่เข้ารหัสแบบยาวสามารถทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับสำหรับโปรตีนเชิงซ้อน นำกลไกการปรับเปลี่ยนโครมาติน หรือมีอิทธิพลต่อการถอดรหัส