spájať

spájať predstavuje rozhodujúci proces počas transkripcie v bunkovom jadre eukaryotov, počas ktorého maturovaná mRNA vychádza z pre-mRNA. Intróny, ktoré sú stále obsiahnuté v pre-mRNA po transkripcii, sa odstránia a zostávajúce exóny sa spoja do formy hotovej mRNA.

Čo je zostrih

Centrálna dogma molekulárnej biológie uvádza, že tok genetickej informácie sa uskutočňuje z DNA nosiča informácií cez RNA k proteínu. Prvým krokom v génovej expresii je tzv. Transkripcia. RNA sa syntetizuje použitím DNA ako templátu. DNA je nosičom genetickej informácie, ktorá sa tam ukladá pomocou kódu tvoreného štyrmi bázami adénov, tymínu, guanínu a cytozínu. Bielkovinový komplex RNA polymerázy číta bázovú sekvenciu DNA počas transkripcie a vytvára zodpovedajúcu „pre-messenger RNA“ (skrátene pre-mRNA). Namiesto tymínu sa vždy používa uracil.

Gény sú tvorené exónmi a intrónmi. Exóny sú časti genómu, ktoré skutočne kódujú genetické informácie. Naproti tomu intróny predstavujú nekódujúce rezy v géne Gény uložené na DNA prechádzajú dlhé rezy, ktoré nezodpovedajú žiadnym aminokyselinám v neskoršom proteíne a neprispievajú k translácii.

Gén môže mať až 60 intrónov s dĺžkou od 35 do 100 000 nukleotidov. V priemere sú tieto intróny desaťkrát dlhšie ako exóny. Pre-mRNA produkovaná v prvom kroku transkripcie, tiež často označovaná ako nezrelé mRNA, stále obsahuje exóny aj intróny. Tu začína proces spájania.

Intróny musia byť odstránené z pre-mRNA a zostávajúce exóny musia byť spojené dohromady. Iba potom môže zrelá mRNA opustiť bunkové jadro a iniciovať transláciu.

Spájanie sa väčšinou vykonáva pomocou spliceozómu (nemecky: spliceosome). Tvorí ho päť snRNP (malé častice nukleárneho ribonukleoproteínu). Každý z týchto snRNP pozostáva z snRNA a proteínov. Niektoré ďalšie proteíny, ktoré nie sú súčasťou snRNP, sú tiež časťou spliceozómu. Spliceozómy sa delia na hlavné a menšie spliceozómy. Hlavné spiceozómové procesy spracovávajú viac ako 95% všetkých ľudských intrónov, menší spiceozóm spracováva hlavne intróny ATAC.

Za vysvetlenie zostrihu získali Richard John Roberts a Phillip A. Sharp v roku 1993 Nobelovu cenu za medicínu. Thomas R. Cech a Sidney Altman získali v roku 1989 Nobelovu cenu za chémiu za výskum alternatívneho zostrihu a katalytického účinku RNA.

Funkcia a úloha

Počas procesu spájania sa zostrih spája znova z jeho jednotlivých častí. U cicavcov sa snRNP U1 najskôr naviaže na 5-zostrihové miesto a iniciuje tvorbu zostávajúceho zostrihu. SnRNP U2 sa viaže na bod vetvenia intrónu. Následne sa tiež viaže tri-snRNP.

Spliceozóm katalyzuje zostrihovú reakciu pomocou dvoch po sebe nasledujúcich transesterifikácií. V prvej časti reakcie atóm kyslíka zo skupiny 2-OH adenozínu zo "sekvencie bodu vetvenia" (BPS) atakuje atóm fosforu fosfodiesterovej väzby v mieste 5'-zostrihu. Týmto sa uvoľní 5 ‘exón a cirkuluje intrón. Atóm kyslíka teraz voľnej 3'-OH skupiny 5'-exónu sa teraz viaže na 3'-zostrihové miesto, v dôsledku čoho sú oba exóny spojené a intrón sa uvoľní. Intrón je privedený do zjednodušenej konformácie, nazývanej lariat, ktorá sa potom rozpadá.

Na rozdiel od toho, spliceozómy nehrajú žiadnu úlohu pri sebaprepletaní. Tu sú intróny vylúčené z translácie sekundárnou štruktúrou samotnej RNA. K enzymatickému zostrihu tRNA (prenosovej RNA) dochádza v eukaryotoch a archeaoch, ale nie v baktériách.

Proces zostrihu musí prebiehať s najvyššou presnosťou na hranici exónu a intrónu, pretože odchýlka iba jedného nukleotidu by viedla k nesprávnemu kódovaniu aminokyselín, a teda k tvorbe úplne odlišných proteínov.

Zostrih pre-mRNA sa môže ukázať odlišne v dôsledku vplyvov prostredia alebo typu tkaniva. To znamená, že rôzne proteíny sa môžu tvoriť z rovnakej sekvencie DNA, a teda z rovnakej pre-mRNA. Tento proces je známy ako alternatívne spájanie. Ľudská bunka obsahuje asi 20 000 génov, ale je schopná produkovať niekoľko stotisíc proteínov vďaka alternatívnemu zostrihu. Asi 30% všetkých ľudských génov má alternatívne zostrihy.

Zostrih zohrával hlavnú úlohu v evolúcii. Exóny často kódujú jednotlivé domény proteínov, ktoré je možné vzájomne kombinovať rôznymi spôsobmi. To znamená, že z niekoľkých exónov je možné vyrobiť veľké množstvo proteínov s úplne odlišnými funkciami. Tento proces sa nazýva miešanie exónov.

Choroby a choroby

Niektoré dedičné choroby môžu úzko súvisieť so zostrihom. Mutácie v nekódujúcich intrónoch zvyčajne nevedú k chybám pri tvorbe proteínov. Ak však dôjde k mutácii v časti intrónu, ktorá je dôležitá pre reguláciu zostrihu, môže to viesť k chybnému zostrihu pre-mRNA. Výsledná zrelá mRNA potom kóduje chybné alebo v najhoršom prípade škodlivé proteíny. Toto je napríklad prípad niektorých typov beta-talasémie, dedičnej anémie. Ďalšími predstaviteľmi chorôb, ktoré sa vyvíjajú týmto spôsobom, sú napríklad Ehlers-Danlosov syndróm (EDS) typu II a spinálna svalová atrofia.