Cắt nối thay thế và chức năng của RNA không mã hóa

Cắt nối thay thế cho phép một gen duy nhất tạo ra nhiều RNA thông tin (mRNA) riêng biệt — và thường là nhiều protein — bằng cách kết hợp các exon theo những cách khác nhau, giúp mở rộng đáng kể sản lượng chức năng của bộ gen. Các RNA không mã hóa (non-coding RNA), là các bản phiên mã không được dịch mã thành protein, bổ sung một lớp điều hòa khác, tác động lên quá trình phiên mã, cắt nối, độ ổn định của RNA và chất nhiễm sắc. Cùng với nhau, những hiện tượng này giải thích cách một số lượng gen khiêm tốn có thể hỗ trợ sự phức tạp của hệ phiên mã.

Definition

Cắt nối thay thế là quá trình được điều hòa, theo đó các sự kết hợp khác nhau của các exon từ một RNA tiền thông tin (pre-mRNA) duy nhất được nối lại để tạo ra các bản phiên mã trưởng thành riêng biệt, trong khi chức năng của RNA không mã hóa đề cập đến vai trò điều hòa và cấu trúc của các bản phiên mã RNA không được dịch mã thành protein.

Scope

Chủ đề này bao gồm quá trình cắt nối thay thế được điều hòa (bao gồm và bỏ qua exon, lựa chọn vị trí cắt nối, và sự đa dạng của các dạng đồng phân) và các lớp chính cùng chức năng của RNA không mã hóa, từ các RNA điều hòa nhỏ đến các RNA không mã hóa dài. Đây là một tài liệu tham khảo về mặt khái niệm và phương pháp luận trong lĩnh vực hệ phiên mã và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Các vị trí cắt nối được nhận diện và lựa chọn như thế nào để một gen tạo ra nhiều dạng đồng phân bản phiên mã?
• Cắt nối thay thế mở rộng sự đa dạng của hệ protein và hệ phiên mã như thế nào?
• Các lớp chính của RNA không mã hóa là gì và chúng điều hòa biểu hiện gen như thế nào?
• Các phương pháp thông lượng cao phát hiện các dạng đồng phân và định lượng các bản phiên mã không mã hóa như thế nào?

Key concepts

• Exon, intron và thể cắt nối
• Bao gồm và bỏ qua exon
• Xác định vị trí cắt nối và exon
• Đa dạng dạng đồng phân bản phiên mã
• Các RNA điều hòa nhỏ (ví dụ: microRNA)
• Các RNA không mã hóa dài (lncRNA)
• Điều hòa sau phiên mã
• Các yếu tố và nhân tố điều hòa cắt nối

Mechanisms

Trong quá trình cắt nối, thể cắt nối (spliceosome) loại bỏ các intron khỏi RNA tiền thông tin và nối các exon; khi sự lựa chọn vị trí cắt nối được điều hòa, cùng một pre-mRNA có thể được xử lý thành các bản phiên mã trưởng thành khác nhau thông qua việc bao gồm exon, bỏ qua exon, hoặc sử dụng các vị trí cắt nối và điểm bắt đầu/kết thúc thay thế. Việc nhận diện các ranh giới chính xác phụ thuộc vào trình tự vị trí cắt nối và các yếu tố điều hòa được gắn bởi các yếu tố cắt nối, đó là lý do tại sao việc xác định exon là một quá trình được điều chỉnh tinh vi, như đã được Keren và cộng sự tổng quan. Các RNA không mã hóa hoạt động thông qua các cơ chế bổ sung: các RNA điều hòa ngắn hướng dẫn sự ức chế các RNA thông tin mục tiêu, trong khi các RNA không mã hóa dài có thể làm giàn giáo cho các phức hợp protein, hướng dẫn các yếu tố điều hòa chất nhiễm sắc, hoặc điều biến phiên mã, như đã được Ponting và cộng sự khảo sát. Các khảo sát toàn bộ bộ gen như dự án ENCODE đã chỉ ra rằng một phần lớn bộ gen được phiên mã thành RNA không mã hóa, nhấn mạnh phạm vi rộng lớn của lớp điều hòa này; các phương pháp giải trình tự thu nhận các điểm nối cắt nối cho phép phát hiện và định lượng các dạng đồng phân và các bản phiên mã không mã hóa.

Clinical relevance

Cắt nối bất thường và các RNA không mã hóa bị rối loạn chức năng có liên quan đến nhiều bệnh và là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực về dấu ấn sinh học và điều trị. Là một chủ đề tham khảo, mục này giải thích cách sinh học của các dạng đồng phân và RNA không mã hóa được mô tả và đo lường; nó không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Các bài tổng quan tham khảo bao gồm Keren và cộng sự về cắt nối thay thế và xác định exon, và Ponting và cộng sự về chức năng của RNA không mã hóa dài, được bổ sung bởi các khảo sát phiên mã toàn bộ bộ gen từ dự án ENCODE. Đây là các tài liệu tham khảo về phương pháp luận và khái niệm chứ không phải là hướng dẫn lâm sàng.

History

Việc phát hiện ra các gen bị chia cắt và quá trình cắt nối RNA vào cuối những năm 1970 đã tiết lộ rằng các exon có thể được kết hợp theo những cách thay thế, và trong những thập kỷ tiếp theo, cắt nối thay thế được công nhận là một nguồn phổ biến của sự đa dạng bản phiên mã và protein. Song song đó, nghiên cứu về RNA không mã hóa đã mở rộng từ một vài RNA chức năng nổi tiếng sang các lớp lớn gồm các bản phiên mã điều hòa nhỏ và không mã hóa dài, và các dự án toàn bộ bộ gen từ những năm 2000 đã ghi nhận sự phiên mã không mã hóa rộng khắp, định hình lại phần lớn bộ gen như được phiên mã chức năng.

Debates

Có bao nhiêu bản phiên mã không mã hóa có chức năng?

Các khảo sát toàn bộ bộ gen cho thấy phần lớn bộ gen được phiên mã thành RNA không mã hóa, nhưng việc phân biệt các bản phiên mã có chức năng sinh học với nhiễu phiên mã vẫn còn gây tranh cãi, và việc chú thích chức năng của các RNA không mã hóa dài còn chậm so với việc phát hiện ra chúng.

Key figures

• Gil Ast
• Chris P. Ponting
• Wolf Reik

Seminal works

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

Frequently asked questions

Làm thế nào một gen có thể tạo ra nhiều protein khác nhau?

Thông qua cắt nối thay thế, các exon của RNA tiền thông tin của một gen duy nhất có thể được nối theo các sự kết hợp khác nhau, tạo ra các bản phiên mã trưởng thành riêng biệt có thể được dịch mã thành các dạng đồng phân protein khác nhau. Điều này mở rộng đáng kể sự đa dạng chức năng mà không làm tăng số lượng gen.

Nếu RNA không mã hóa không được dịch mã, chúng hoạt động như thế nào?

Chúng hoạt động như các phân tử RNA chứ không phải là khuôn mẫu cho protein. Các RNA điều hòa nhỏ có thể định hướng sự ức chế các RNA thông tin mục tiêu, trong khi các RNA không mã hóa dài có thể làm giàn giáo cho các phức hợp protein, hướng dẫn bộ máy điều chỉnh chất nhiễm sắc, hoặc ảnh hưởng đến phiên mã.