กายวิภาคของยีน: เอกซอน, อินทรอน และสไปลซ์วาริแอนต์

ยีนของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตมีการแบ่งแยก: คำสั่งสำหรับการสร้างโปรตีน (เอกซอน) ถูกขัดจังหวะด้วยส่วนที่ไม่เข้ารหัส (อินทรอน) ซึ่งจะถูกถอดรหัสแต่จะถูกกำจัดออกไปก่อนที่ข้อความจะถูกนำไปใช้ การเลือกเก็บเอกซอนบางส่วนทำให้ยีนเดี่ยวสามารถสร้าง mRNA และโปรตีนที่แตกต่างกันได้หลายชนิดผ่านการสไปลซ์ทางเลือก (alternative splicing) ทำให้กายวิภาคของเอกซอน-อินทรอนเป็นแหล่งสำคัญของความซับซ้อนทางชีวภาพ

Definition

เอกซอนคือส่วนของยีนที่คงอยู่ใน RNA ที่สมบูรณ์ อินทรอนคือส่วนแทรกที่ถูกกำจัดออกไประหว่างการประมวลผล RNA และสไปลซ์วาริแอนต์ (ไอโซฟอร์ม) คือทรานสคริปต์ที่สมบูรณ์ที่แตกต่างกันซึ่งผลิตขึ้นเมื่อเอกซอนของยีนถูกเชื่อมต่อกันในรูปแบบที่แตกต่างกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างเอกซอน-อินทรอนของยีน กระบวนการสไปลซ์ที่กำจัดอินทรอนและเชื่อมต่อเอกซอน และการสไปลซ์ทางเลือกในฐานะกลไกที่สร้างทรานสคริปต์หลายรูปแบบจากยีนเดียว หัวข้อนี้ถือว่ากายวิภาคของยีนเป็นข้อมูลอ้างอิงและสื่อการศึกษา กลไกของโรคที่เกี่ยวข้องกับการสไปลซ์จะอธิบายในแง่ทั่วไปมากกว่าเป็นแนวทางทางคลินิก

Core questions

• อะไรคือความแตกต่างระหว่างเอกซอนกับอินทรอน?
• การสไปลซ์กำจัดอินทรอนและเชื่อมต่อเอกซอนได้อย่างแม่นยำได้อย่างไร?
• การสไปลซ์ทางเลือกสร้างโปรตีนหลายชนิดจากยีนเดียวได้อย่างไร?
• ทำไมการรบกวนตำแหน่งสไปลซ์จึงเปลี่ยนแปลงการทำงานของยีน?

Key concepts

• เอกซอน
• อินทรอน
• ยีนแบบแยกส่วน (interrupted gene)
• การสไปลซ์ pre-mRNA และสไปลซิโอโซม
• ตำแหน่งสไปลซ์โดเนอร์และแอคเซปเตอร์
• การสไปลซ์ทางเลือก
• ไอโซฟอร์มของทรานสคริปต์
• เอกซอนแบบคงที่เทียบกับเอกซอนทางเลือก

Mechanisms

หลังจากการถอดรหัส สไปลซิโอโซม (spliceosome) จะจดจำลำดับที่ขอบเขตของอินทรอน — ตำแหน่งสไปลซ์โดเนอร์ (5') และแอคเซปเตอร์ (3') — และตัดอินทรอนแต่ละส่วนออกไป โดยเชื่อมเอกซอนที่อยู่ติดกันเข้าด้วยกันเป็น RNA ที่สมบูรณ์อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากการรวมเอกซอนถูกควบคุม ยีนจึงสามารถประกอบเอกซอนในรูปแบบที่แตกต่างกันในเซลล์หรือสภาวะที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดสไปลซ์วาริแอนต์ทางเลือกจากตำแหน่งเดียว ซึ่งเป็นการเพิ่มขีดความสามารถในการเข้ารหัสโปรตีนของจีโนมอย่างมาก รูปแบบของการสไปลซ์ทางเลือกนั้นมีความแปรปรวนทางวิวัฒนาการและจำเพาะต่อเนื้อเยื่อ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างชนิดของเซลล์และสปีชีส์

Clinical relevance

วาริแอนต์ที่อยู่ในตำแหน่งสไปลซ์ หรือที่สร้างหรือทำลายสัญญาณการสไปลซ์ สามารถเปลี่ยนแปลงเอกซอนที่ถูกรวมและดังนั้นจึงเปลี่ยนแปลงหรือทำลายผลิตภัณฑ์ของยีนได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมวาริแอนต์ที่ส่งผลต่อการสไปลซ์จึงเป็นกลุ่มที่สำคัญในการตีความวาริแอนต์ หัวข้อนี้อธิบายพื้นฐานโครงสร้างของผลกระทบดังกล่าวเพื่อการอ้างอิงและการศึกษา และไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Epidemiology

การสไปลซ์ทางเลือกเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไป: ยีนหลายเอกซอนส่วนใหญ่ในมนุษย์สร้างสไปลซ์วาริแอนต์มากกว่าหนึ่งชนิด และความชุกและรูปแบบของการสไปลซ์แตกต่างกันอย่างชัดเจนในเนื้อเยื่อต่างๆ และในสปีชีส์ของสัตว์มีกระดูกสันหลัง ทำให้เป็นคุณสมบัติเกือบสากลของการแสดงออกของยีนยูคาริโอตมากกว่าเป็นข้อยกเว้น

Evidence & guidelines

แบบจำลองยีนแบบแยกส่วนตั้งอยู่บนการแสดงให้เห็นโดยตรงว่าลำดับ mRNA ไม่ต่อเนื่องกับยีนของพวกมัน และขอบเขตของการสไปลซ์ทางเลือกได้รับการวัดปริมาณโดยการศึกษาทั่วทั้งทรานสคริปโตมที่แสดงให้เห็นทั้งความชุกและความแตกต่างทางวิวัฒนาการในสปีชีส์ต่างๆ

History

ในปี 1977 สองกลุ่มวิจัยได้แสดงให้เห็นอย่างอิสระว่า mRNA ของอะดีโนไวรัสถูกสไปลซ์จากส่วนที่แยกกันบนจีโนม ซึ่งเผยให้เห็นว่ายีนสามารถถูกขัดจังหวะด้วยอินทรอน สิ่งนี้ได้ล้มล้างสมมติฐานความต่อเนื่องเชิงเส้น (colinearity assumption) และนำไปสู่แนวคิดของยีนแบบแยกส่วน งานวิจัยต่อมาได้ยืนยันว่าการสไปลซ์เป็นกระบวนการที่ถูกควบคุม และการสไปลซ์ทางเลือกเป็นตัวสร้างความหลากหลายของโปรตีโอเมที่แพร่หลาย

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

อินทรอนเป็นเพียงส่วนเติมที่ไร้ประโยชน์หรือไม่?

ไม่ อินทรอนถูกกำจัดออกจากข้อความที่สมบูรณ์ แต่พวกมันมีสัญญาณการสไปลซ์ สามารถเป็นที่อยู่ขององค์ประกอบควบคุมและ RNA ที่ไม่เข้ารหัส และการมีอยู่ของพวกมันช่วยให้เกิดการสไปลซ์ทางเลือก ดังนั้นพวกมันจึงเป็นส่วนสำคัญทางหน้าที่ของกายวิภาคของยีน

ยีนเดียวสามารถสร้างโปรตีนได้หลายชนิดได้อย่างไร?

ผ่านการสไปลซ์ทางเลือก: โดยการรวมหรือไม่รวมเอกซอนบางส่วน เซลล์จะประกอบ mRNA ที่สมบูรณ์ที่แตกต่างกันจากยีนเดียวกัน ซึ่งแต่ละชนิดสามารถถูกแปลเป็นโปรตีนไอโซฟอร์มที่แตกต่างกันได้