РНК в ядре клеток человека

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра генетики

Характеристика процесса альтернативного сплайсинга мРНК эукариот

Курсовая работа

Бакунович Александры Андреевны

студентки 2 курса,

специальность

«научно-производственная деятельность»

Научный руководитель:

кандидат биологических наук

доцент В.В. Гринев

Минск, 2015
Оглавление

Оглавление 2

Введение 3

Глава 1 Процессинг молекул првичных РНК в ядре клеток человека 4

Глава 2 Канонический и альтернативный сплайсинг РНК в клетках человека 9

2.1 Канонический сплайсинг 9

2.2 Альтернативный сплайсинг 12

2.2.1 Механизмы альтернативного сплайсинга 12

2.2.2 Процесс альтернативного сплайсинга 13

2.3 Высокая пластичность сплайсинга РНК 14

2.4 Связь канонического сплайсинга и само-сплайсинга 14

Глава 3 Факторы сплайсинга: разнообразие, строение и функции 16

Глава 4 Цис-элементы сплайсинга: разнообразие и функции 20

Глава 5 Биологическое значение сплайсинга 22

5.1 Первичные дефекты сплайсинга 22

5.2 Вторичные дефекты сплайсинга 23

Заключение 24

Список литературы 24

Введение

Процесс сплайсинга мРНК эукариот долгое время привлекает к себе внимание ученых по всему миру. Он представляет собой часть сложного многоступенчатого преобразования незрелых молекул РНК для их дальнейшей работы. В такой молекуле находятся кодирующие (экзоны) и не кодирующие (интроны) белок нуклеотидные последовательности. Функционально интроны не несут информации, необходимой для дальнейшей трансляции. В процессе эволюции у эукариот выработались механизмы для избавления от неинформативных участков. Целью их было сокращение длины и максимальное увеличение функциональности РНК. Сплайсингом называется вырезание некодирующих последовательностей из предшественника матричной РНК – пре-мРНК, – за которым следует сшивание экзонов. Этот процесс имеет большое значение для жизнедеятельности клеток и влияет на возможности экспрессии генов. Также с его помощью может увеличиваться количество белков, производимых одним геном. Это оказывает огромное влияние на процесс эволюции генов и организмов в целом.

Целью работы является характеристика процессов канонического и альтернативного сплайсинга, факторов и цис-элементов, обеспечивающих его прохождение. Также она включает в себя описание биологических эффектов, к которым могут привести нарушения в определенных стадиях его прохождения.

Глава 1

Процессинг молекул первичных

РНК в ядре клеток человека

Процессинг – совокупность преобразований предшественников РНК, которые превращают их в зрелую форму. После синтеза первичные транскрипты недостаточно активны и претерпевают ряд изменений. У эукариот процессингу подвергаются все виды РНК, у прокариот – рРНК и тРНК.

Молекулы РНК выполняют различные задачи в клетках. Они функционируют как мессенджеры для передачи генетической информации от ДНК к белкам, как основной генетический материал в клетках многих вирусов, в качестве катализаторов (например, рибозимов), имеют большое значение для синтеза белка, существуют как регуляторы экспрессии генов в живых организмах. Понимание молекулярных механизмов, посредством которых белки распознают и связывают РНК, является существенным для понимания функциональных последствий этих взаимодействий.

В зависимости от типа РНК (рибосомальная, транспортная или матричная) процессинг может проходить по-разному.

На примере матричной РНК процессинг включает следующие стадии:

1. Кэпирование

Этот процесс состоит в присоединении особой структуры, называемой кэп, на 5’-конец пре-мРНК.

С помощью экзонуклеаз от иРНК могут отделяться нуклеотиды и разру­шать молекулу. Для защиты заключенной в ней информации формируется 5’-кэп. Он состоит из одного или нескольких модифицированных нуклеотидов. Его наличие является отличительной чертой эукариот. Прокариоты имеют лишь трифосфат на 5’-конце. Эта структура состоит из остатков 7-метилгуанозин­трифосфата и определенных белков. Кэпирование осуществляется с помощью РНК-трифосфатазы, гуанилтрансферазы и гуанил-N7-метилтрансферазы. Эти ферменты имеют связь с транскрипцией, участвуют в сплайсинге и процессинге 3’-конца и стимуляции трансляции. (Schoenberg D. R., Maquat L. E., 2009)

Рисунок 1.1 Механизм кэпирования

(рисунок взят с сайта https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%8D%D0%BF#/ media/File:Mechanism_of_capping.png)

2. Полиаденилирование

Процесс защиты 3’-конца пре-мРНК состоит в прикреплении большого количества молекул аденозинмонофосфата, образующих поли-А-хвост.

Азотистые основания этой структуры представлены аденином. Полиаденили­рование является неотъемлемой частью процессинга эукариот. Процесс начина­ется после завершения транскрипции гена. Перед началом полиаденилирования мультисубъединичный белковый комплекс отщепляет 3'-концевой участок пер­вичного транскрипта. Место расщепления определяется положением универ­сальных сигнальных последовательностей в первичном транскрипте. Иногда расщепление может происходить в нескольких альтернативных сайтах. Полиа­денилирование даёт возможность для образования различных мРНК на основе одного гена (альтернативное полиаденилирование).

После формирования нового 3'-конца транскрипта компонент белкового комплекса – поли(А)-полимераза – осуществляет синтез поли(А)-хвоста, ис­пользуя 3'-концевой нуклеотид в качестве затравки (Proudfoot N. J. et al, 2002) Поли-А-хвост защищает мРНК от разрушения, участвует в окончании тран­скрипции, процессах трансляции и переноса мРНК из ядра. (Hunt A. G. et al, 2008) Однако, например, у гистоновых белков эта структура отсутствует и за­менена так называемой шпилькой, за которой находится гистоновый нисходя­щий элемент – пуриновая последовательность. (Marzluff W. F. et al, 2002)

3. Сплайсинг

Белок-кодирующие последовательности эукариотических генов (экзоны) обычно прерываются некодирующими (интронами), которые занимают боль­шую часть длины гена. И интроны, и экзоны транскрибируются в мРНК. После этого некодирующие последовательности вырезаются из пре-мРНК через про­цесс сплайсинга. Только после преобразования 5’- и 3’ -концов РНК может называться зрелой. Каждый акт сплайсинга удаляет один интрон, проходя через последовательность фосфорил-транспортных реакций. Они соединяют два эк­зона, удаляя интрон как “лариат”. Механизм, который катализирует сплайсинг пре-мРНК, достаточно подвижен для того, чтобы охватывать все разнообразие интронов, которые присутствуют в обычной эукариотической клетке.

Присутствие крупных некодирующих последовательностей в ДНК позво­ляет скомбинировать экзоны различных генов. Это облегчает процесс создания новых белков. Подтверждением является факт, что многие белки современных клеток состоят из одинаковых протеиновых доменов.

Транскрипты многих эукариотических генов проходят сплайсинг в не­скольких точках, позволяя одному гену производить набор различных белков. В результате РНК-сплайсинг позволяет эукариотам увеличить кодирующий по­ тенциал своих геномов. (Alberts В. еt al, 2007)

Рисунок 1.2 Схема сплайсинга

(рисунок взят с сайта http://www.clker.com/clipart-49537.html)

4. Редактирование

На протяжении процессинга преобразовываемая РНК подвергается ре­дактированию. Оно чаще всего проходит путем химической модификации ос­нований и описано во всех типах РНК эукариот. Этот процесс обычно происхо­дит в ядре клетки, цитозоле, митохондриях и пластидах.

Механизмы редактирования РНК включают в себя модификацию нуклео­зидов (например, дезаминирование цитидина в уридин или аденозина в инозин) и вставки нуклеотидов без матрицы. Редактирование РНК в случае мРНК зна­чительно изменяет последовательность кодируемого полипептида. Транслиру­емый белок может сильно отличаться от закодированного в ДНК генома. (Brennicke A. et al, 1999)

Редактирование РНК начинается со спаривания первичного неотредакти­рованного транскрипта с guide RNA (ведущей РНК), которая содержит комплементарные последовательности около сайтов встраивания или удаления. Образующийся двуцепочечный участок покрывается эдитосомой – крупным многобелковым комплексом, катализирующим редактирование РНК. (Alfonzo J.D. et al, 1997) Эдитиосомный комплекс начинает встраивание уридинов по первому положению неспаренных нуклеотидов. Образуются комплементарные связи с guide RNA. Встраивание продолжается до того момента, когда в ведущей РНК встречаются A или G и останавливается при появлении C или U. (Blum B. et al, 1990)

В ходе редактирования происходит разрезание по сайту, где не образуются комплементарные пары между guide RNA и нередактированным транскриптом. Следующая стадия катализируется ферментом (концевой U-трансферазой), который добавляет U из 3’-UTP. (Simpson L., Thiemann O.H., 1995) «Открытые» концы удерживаются другими белками эдитосомного комплекса. U-специфичная экзорибонуклеаза, удаляет неспаренные уридины. Эдитосомный комплекс способен редактировать мРНК лишь в направлении от 3'-конца к 5'-концу. (Hajduk S.L., Sabatini R.S., 1998)

5. Полиметилирование

После окончания транскрипции метилтрансферазы производят ферментативный перенос метильных групп на молекулы РНК. Метилирование некодирующих РНК на 3'-конце стабилизирует эти молекулы. Наиболее распространённой модификацией является метилирование остатков аденозина по положению N6 с образованием N6-метиладенозина. Предполагается, что метилирование имеет регуляторную функцию. (Wang X. et al, 2014)

Дата добавления: 2015-09-07