การตัดต่ออาร์เอ็นเอและการตัดต่อทางเลือก

การตัดต่อ (splicing) เป็นกระบวนการที่กำจัดอินตรอนออกจากพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอ (pre-mRNA) และเชื่อมต่อเอ็กซอนที่เหลือเข้าด้วยกันเป็นลำดับการถอดรหัสที่ต่อเนื่อง เมื่อพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอเดียวกันสามารถถูกตัดต่อได้มากกว่าหนึ่งวิธี—การตัดต่อทางเลือก (alternative splicing)—ยีนเดียวสามารถสร้างเอ็มอาร์เอ็นเอและโปรตีนที่แตกต่างกันได้หลายชนิด ซึ่งช่วยขยายขีดความสามารถในการถอดรหัสของจีโนมได้อย่างมาก และเป็นกลไกสำคัญในการควบคุมยีน

Definition

การตัดต่ออาร์เอ็นเอ (RNA splicing) คือการกำจัดอินตรอนและการเชื่อมต่อเอ็กซอนในพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอเพื่อสร้างลำดับการถอดรหัสที่สมบูรณ์; การตัดต่อทางเลือก (alternative splicing) คือการใช้ตำแหน่งการตัดต่อที่แตกต่างกันอย่างมีการควบคุม เพื่อให้ยีนหนึ่งสร้างไอโซฟอร์มของเอ็มอาร์เอ็นเอและโปรตีนได้หลายชนิด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงเคมีและกลไกของการตัดต่อพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอโดยสไปลซิโอโซม (spliceosome) รูปแบบและการควบคุมของการตัดต่อทางเลือก การมีส่วนร่วมในการสร้างความหลากหลายของโปรตีโอม (proteome) และอินตรอนที่ตัดต่อตัวเองได้ (self-splicing introns) ในฐานะที่เป็นต้นแบบของการเร่งปฏิกิริยา หัวข้อนี้ถือว่าการตัดต่อเป็นหัวข้อด้านการควบคุมและโครงสร้างภายในชีววิทยาระดับโมเลกุล และมีวัตถุประสงค์เพื่อการอ้างอิงและให้ความรู้ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• สไปลซิโอโซมจดจำขอบเขตเอ็กซอน-อินตรอนและเร่งปฏิกิริยาการกำจัดอินตรอนได้อย่างไร?
• การตัดต่อทางเลือกทำให้ยีนหนึ่งสามารถเข้ารหัสโปรตีนได้หลายชนิดได้อย่างไร?
• สัญญาณและโปรตีนควบคุมใดที่ควบคุมการใช้ตำแหน่งการตัดต่อ?
• ข้อผิดพลาดในการตัดต่อและการควบคุมที่ผิดปกติมีส่วนทำให้เกิดโรคได้อย่างไร?

Key concepts

• อินตรอนและเอ็กซอน
• สไปลซิโอโซม (ไรโบนิวคลีโอโปรตีนนิวเคลียร์ขนาดเล็ก)
• ตำแหน่งการตัดต่อ 5' และ 3' และจุดแตกแขนง
• การข้ามเอ็กซอนและการเลือกตำแหน่งการตัดต่อทางเลือก
• โปรตีนควบคุมการตัดต่อ (เช่น ตระกูล SR และ hnRNP)
• ความหลากหลายของไอโซฟอร์มและการขยายโปรตีโอม
• อินตรอนที่ตัดต่อตัวเองได้

Key theories

อาร์เอ็นเอเร่งปฏิกิริยาในการตัดต่อ

การค้นพบว่าอินตรอนกลุ่ม I สามารถตัดตัวเองออกได้โดยไม่ต้องใช้โปรตีน ได้ยืนยันว่าอาร์เอ็นเอสามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีของการถ่ายโอนฟอสฟอริลในการตัดต่อ ซึ่งเป็นลางบอกเหตุถึงแกนกลางเร่งปฏิกิริยาที่เน้นอาร์เอ็นเอของสไปลซิโอโซม

Mechanisms

การตัดต่อพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอส่วนใหญ่ดำเนินการโดยสไปลซิโอโซม ซึ่งเป็นสารเชิงซ้อนขนาดใหญ่ที่มีพลวัต ประกอบด้วยไรโบนิวคลีโอโปรตีนนิวเคลียร์ขนาดเล็ก (small nuclear ribonucleoproteins) และโปรตีนต่างๆ ที่ประกอบรวมกันบนอินตรอนแต่ละส่วน จดจำตำแหน่งการตัดต่อ 5' (5' splice site) จุดแตกแขนง (branch point) และตำแหน่งการตัดต่อ 3' (3' splice site) และเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเอสเทอร์สองครั้งที่ตัดอินตรอนออกเป็นรูปบ่วง (lariat) และเชื่อมต่อเอ็กซอนที่อยู่ติดกันเข้าด้วยกัน ตำแหน่งที่เลือกนั้นไม่ตายตัว: โปรตีนควบคุมที่จับกับลำดับเสริม (enhancer) และลำดับยับยั้ง (silencer) จะชี้นำกลไกให้รวมหรือไม่รวมเอ็กซอนบางส่วน ทำให้เกิดไอโซฟอร์มทางเลือกในลักษณะที่จำเพาะต่อชนิดของเซลล์และระยะการพัฒนา ในจีโนมของสัตว์มีกระดูกสันหลัง การตัดต่อทางเลือกเป็นเรื่องที่แพร่หลายและเป็นแหล่งสำคัญของความหลากหลายของทรานสคริปโตม (transcriptome) และโปรตีโอม เคมีของการตัดต่อมีต้นแบบของอาร์เอ็นเอที่เร่งปฏิกิริยาในอินตรอนที่ตัดต่อตัวเองได้ ซึ่งสามารถกำจัดตัวเองได้โดยไม่ต้องอาศัยสไปลซิโอโซม

Clinical relevance

การกลายพันธุ์ที่รบกวนตำแหน่งการตัดต่อหรือโปรตีนควบคุมการตัดต่อเป็นสาเหตุหรือปรับเปลี่ยนโรคทางพันธุกรรมและมะเร็งหลายชนิด และโมเลกุลที่ปรับเปลี่ยนการตัดต่อได้กลายเป็นกลยุทธ์ในการรักษา รายการนี้เสนอชีววิทยาในฐานะพื้นฐานการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การค้นพบในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ว่ายีนถูกแบ่งออกเป็นเอ็กซอนและอินตรอนบ่งชี้ถึงกลไกในการกำจัดอินตรอน และต่อมาสไปลซิโอโซมก็ถูกระบุว่าเป็นกลไกที่รับผิดชอบ การตระหนักว่าการตัดต่อสามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบทางเลือกได้เปลี่ยนจากการเป็นเพียงขั้นตอนการทำให้สมบูรณ์ไปสู่กลไกการควบคุมที่สำคัญ และการศึกษาทั่วทั้งจีโนมในภายหลังได้แสดงให้เห็นว่าทรานสคริปโตมของสัตว์มีกระดูกสันหลังใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้อย่างกว้างขวาง การค้นพบอินตรอนที่ตัดต่อตัวเองได้ก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าเคมีพื้นฐานสามารถถูกเร่งปฏิกิริยาโดยอาร์เอ็นเอได้

Key figures

• Phillip Sharp
• Richard Roberts
• Thomas Cech
• Adrian Krainer
• Benjamin Blencowe

Seminal works

• kruger-1982
• nilsen-2010
• barbosa-morais-2012

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการตัดต่อและการตัดต่อทางเลือกคืออะไร?

การตัดต่อจะกำจัดอินตรอนและเชื่อมต่อเอ็กซอนเพื่อสร้างเอ็มอาร์เอ็นเอที่สมบูรณ์; การตัดต่อทางเลือกคือเมื่อพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอเดียวกันถูกตัดต่อได้มากกว่าหนึ่งวิธี ดังนั้นยีนหนึ่งจึงสามารถผลิตไอโซฟอร์มของเอ็มอาร์เอ็นเอและโปรตีนได้หลายชนิด

กลไกใดที่ดำเนินการตัดต่อพรี-เอ็มอาร์เอ็นเอส่วนใหญ่?

สไปลซิโอโซม ซึ่งเป็นสารเชิงซ้อนขนาดใหญ่ของไรโบนิวคลีโอโปรตีนนิวเคลียร์ขนาดเล็กและโปรตีนที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจดจำตำแหน่งการตัดต่อและเร่งปฏิกิริยาการกำจัดอินตรอน