Nasz organizm to niezwykła fabryka, która nigdy nie zwalnia i nie przestaje pracować. Codziennie nasze komórki odnawiają się, co wymaga skoordynowanego i bezbłędnego przeprowadzania różnych procesów, m.in. transkrypcji genów (przepisywanie informacji z matrycowego DNA na RNA przez polimerazy RNA), biosyntezy białek (translacji), naprawy uszkodzeń powstających w DNA. Zachwyca mnie to jak precyzyjnie działają wszystkie procesy, które sprawiają, że możemy być po prostu sobą oraz to, że pomimo wielu lat badań, nadal nie wszystkie te procesy udało nam się rozszyfrować, poznać, zrozumieć. Jednym z takich procesów jest alternatywne składanie genów (tzw. alternatywny splicing) [1]. Szacuje się, że może mu podlegać aż 35-75% ludzkich genów [2]. Rekordzistką jest jednak każdemu doskonale znana muszka owocowa Drosophila melanogaster, której gen DSCAM może mieć ponad 38 tysięcy wariantów [3]!

Przepis na gen

Składanie genów (ang. RNA splicing) to niezwykła i skomplikowana operacja, ale w komórkach organizmów eukariotycznych znaleźć można małych „suflerów” – prekursorowe cząsteczki mRNA (ang. messenger RNA), czyli pre-mRNA. Proces polega na usuwaniu sekwencji niekodujących (intronów) i łączeniu sekwencji kodujących (eksonów) tak, aby powstał dojrzały i gotowy do translacji mRNA, kodujący elegancki łańcuch polipeptydowy – od kodonu „start” do kodonu „stop”. Składanie genów z takiego „przepisu” koordynowane jest przez kompleks białek i RNA, określanych mianem spliceosomu, chociaż czasami dochodzi do samodzielnego wycinania się intronów przy udziale rybozymu (cząsteczka RNA zdolna do katalizowania reakcji chemicznych) [1].

Okazuje się jednak, że proces ten nie zawsze przebiega tak samo i winę za to ponosi splicing alternatywny. W tym procesie dochodzi do łączenia różnych eksonów z pre-mRNA na różne sposoby, niekoniecznie po kolei według „przepisu”, a nawet z pominięciem pewnych eksonów lub pozostawieniem niektórych intronów. Zauważono również, że podczas transkrypcji genu może dochodzić do wykorzystania różnych promotorów lub różnych sygnałów poliadenylacji. Jak to działa, do końca nie wie nikt – alternatywny splicing nadal nie został całkowicie rozszyfrowany. Podstawowa zasada splicingu jest dobrze zrozumiana, jednak trudno jest przewidzieć jego wynik ze względu na wiele poziomów regulacji. Supermocą alternatywnego składania jest możliwość tworzenia z jednego genu (transkryptu) więcej niż jednej cząsteczki mRNA, czyli tworzenie zmienności białek. Jeśli zatem powstałe warianty mRNA różnią się kolejnością czy zawartością eksonów, powstałe w procesie translacji białka będą miały odmienną sekwencję aminokwasową, co w konsekwencji zmienia ich funkcje i/lub lokalizację w komórce. Jeśli natomiast warianty mRNA różnią się w zawartości intronów, skutkuje to zmiennością w obrębie elementów regulatorowych w mRNA, wpływających m.in. na stabilność mRNA lub przebieg translacji (np. obecność enhancerów, wzmacniających proces), czyli na to ile białek będzie produkowanych w komórce [1].

Gdy od splicingu boli głowa

Alternatywny splicing jest niewątpliwie procesem nie tylko tajemniczym, ale i skomplikowanym. Nie dziwi zatem fakt, że dochodzić może do nieprawidłowości w jego przebiegu. Nieprawidłowa regulacja alternatywnego składania okazuje się być powiązana z występującymi u ludzi chorobami warunkowanymi genetycznie czy nawet z chorobami nowotworowymi [4-7].

Autosomalne dominujące formy barwnikowego zwyrodnienia siatkówki są spowodowane mutacją w czynnikach splicingowych PRPF31/U4-61k i PRP8. Mutacja punktowa w eksonowym elemencie regulatorowym powoduje rdzeniowy zanik mięśni (ang. spinal muscular atrophy, SMA), natomiast mutacja intronowa prowadzi do zespołu Hutchinsona-Gilforda, charakteryzującego się przyspieszonym procesem starzenia. Predyspozycja do wystąpienia chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, może być wywołana zmianami w stosunku izoform białek generowanych przez alternatywny splicing. Z kolei zmiana pojedynczego nukleotydu w eksonie 12 genu LDLR (ang. Low Density Lipoprotein Receptor, receptor lipoprotein o niskiej gęstości, które są głównym transporterem cholesterolu z wątroby do innych narządów) sprzyja pomijaniu tego elementu kodującego i tworzeniu wariantów splicingowych produkujących skróconą wersję receptora LDL (ang. Low-Density Lipoprotein), w której brakuje domeny transbłonowej niezbędnej do wiązania i internalizacji błony, a tym samym prowadzi do hipercholesterolemii (nadmiernego poziomu cholesterolu we krwi) [6].

Nieprawidłowy alternatywny splicing został powiązany z aktywacją szlaków nowotworowych, niekontrolowaną proliferacją komórek i opornością na chemioterapię w liniach komórek nowotworowych [4, 5]. Wykazano na przykład, że komórki rakowe mają wyższy poziom niewycinania intronów oraz niższy poziom pomijania eksonów niż komórki zdrowe [8]. Z kolei w przypadku raka piersi odkryto, że komórki nowotworowe wykazywały podwyższony poziom czynnika SF2/ASF, który prowadził do alternatywnego składania protooknogenu Ron [9]. Zrozumienie, w jaki sposób warianty sekwencji mogą wpływać na splicing ma kluczowe znaczenie nie tylko dla potwierdzenia diagnozy, ale także dla opracowania nowych opcji leczenia. Na przykład celowe spowolnienie elongacji transkrypcji może promować omijanie eksonów i pomoc w leczeniu raka [5].

Alternatywny splicing a zmienność genetyczna

Alternatywny splicing niewątpliwie zarówno w zamierzchłych czasach, jak i obecnie ma niezwykły wpływ na zmienność genetyczną i wytwarzanie nowych adaptacji. Zapewnia również niezwykłą wydajność i bardzo ekonomiczne przechowywanie informacji genetycznej – dzięki temu nie trzeba kodować każdego białka innym, indywidualnym genem. Każdy genom ma ograniczony rozmiar, a alternatywny splicing ułatwia jego utrzymanie przy jednoczesnym zróżnicowaniu proteomu (zestaw białek komórki, kodowanych przez genom). W ten oto sposób człowiek, którego genom składa się z 26 tysięcy genów, ma jedynie około 30% genów więcej niż… nicień Caenorhabditis elegans [10, 11]. Porównanie ewolucji eksonów u człowieka i szympansa wykazało, że najwięcej nowych eksonów powstało w grupie eksonów najrzadziej wykorzystywanych w postaci alternatywnej. Tempo utraty eksonów u naczelnych wynosiło 2-4% i taki sam trend zaobserwowano u innych ssaków, m.in. u gryzoni czy psów [12].

Szacuje się, że sekwencje kodujące to niecałe 2% naszego genomu, podczas gdy pozostałe 98% to sekwencje niekodujące, nazywane również „śmieciowym DNA” (ang. junk DNA). Ale czy aby na pewno obszary niekodujące są jedynie bezużytecznym szumem? Otóż nie! Wiele tych sekcji odgrywa ważną rolę m.in. w regulacji transkrypcji, niczym dyrygent pilnując aby cały proces poszedł gładko jak z nut. I udowadnia to również alternatywny splicing. Na przykład u muszki owocowej pomijanie wybranych eksonów warunkuje płeć owadów. Pre-mRNA genu DSX Drosophila melanogaster zawiera 6 eksonów. U samic eksony 1-4 są połączone, a ekson 4 podlega poliadenylacji, natomiast u samców połączone są eksony 1-3 oraz 5 i 6 [13]. Oczywiście jest to tylko fragment bardziej skomplikowanego procesu.

Alternatywny splicing zapewnia również plastyczność fenotypową u różnych gatunków – proces ten jest zaangażowany m.in. w czas kwitnienia Arabidopsis thaliana, zjadliwość grzybów chorobotwórczych czy rozwój różnych stadiów larwalnych czy kast u owadów [14]. Badania porównujące myszy, szczury i ludzi wykazały, że znaczna część form splicingowych nie jest zachowana u różnych gatunków i sugeruje, że alternatywne transkrypty są ważnym źródłem nowości ewolucyjnych. Na przykład analiza ewolucji u myszy domowej Mus musculus i myszy śródziemnomorskiej Mus spretus sugeruje, że podgatunki myszy domowej charakteryzują się odmiennym profilem splicingowym [15].

Podsumowanie

Składanie genów to proces bardzo precyzyjny i skomplikowany, ale jak wszystko, można go skomplikować jeszcze bardziej. Alternatywny splicing odegrał ważną rolę w kształtowaniu zmienności genetycznej i pojawianiu się nowych adaptacji, ale może powodować także kłopoty – nieprawidłowości w jego regulacji mogą wywoływać choroby genetyczne i nowotworowe. Jest jeszcze sporo niewiadomych, ale im lepiej poznamy ten niezwykły proces i jego mechanizmy, tym łatwiej zrozumiemy nurtujące nas ewolucyjne zagadki oraz tym skuteczniej będziemy mogli leczyć i zapobiegać wielu schorzeniom.

Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów, naukowców i lekarzy. Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂 Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Literatura

[1] Brown TA. 2019. Genomy. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

[2] Mironov AA, Fickett JW, Gelfand MS. (1999) Frequent alternative splicing of human genes. Genome Research 9(12): 1288-1293.

[3] Schmucker D, Clemens JC, Shu H, Worby CA, Xiao J, Muda M, Dixon JE, Zipursky SL. (2000) Drosophila Dscam is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity. Cell 101(6): 671-684.

[4] El Marabti E, Younis I. (2018) The cancer spliceome: reprograming of alternative splicing in cancer. Frontiers in Molecular Biosciences 5: 80.

[5] Chen J, Weiss WA. (2015) Alternative splicing in cancer: implications for biology and therapy. Oncogene 34(1): 1-14.

[6] Tazi J, Bakkour N, Stamm S. (2008) Alternative splicing and disease. Biochimica et Biophysica Acta 1792(1): 14-26.

[7] Bergsma AJ, van der Wal E, Broeders M, van der Ploeg AT, Pim Pijnappel WWM. (2018) Alternative splicing in genetic diseases: improved diagnosis and novel treatment options. International Review of Cell and Molecular Biology 335: 85-141.

[8] Kim E, Goren A, Ast G (2008). Insights into the connection between cancer and alternative splicing. Trends in Genetics 24(1): 7-10.

[9] Ghigna C, Giordano S, Shen H, Benvenuto F, Castiglioni F, Comoglio PM, Green MR, Riva S, Biamonti G. (2005) Cell motility is controlled by SF2/ASF through alternative splicing of the Ron protooncogene. Molecular Cell 20(6): 881-890.

[10] Crollius RH, Jaillon O, Bernot A, Dasilva C, Bouneau L, Fischer C, Fizames C, Wincker P, Brottier P, Quétier F, Saurin W, Weissenbach J. (2000) Estimate of human gene number provided by genome-wide analysis using Tetraodon nigroviridis DNA sequence. Nature Genetics 25 (2): 235-238.

[11] International Human Genome Sequencing Consortium (2004) Finishing the euchromatic sequence of the human genome, Nature 431: 931-945.

[12] Alekseyenko AV, Kim N, Lee C J. (2007) Global analysis of exon creation versus loss and the role of alternative splicing in 17 vertebrate genomes. RNA 13(5): 661–670.

[13] Lynch KW, Maniatis T (1996). Assembly of specific SR protein complexes on distinct regulatory elements of the Drosophila doublesex splicing enhancer. Genes & Development 10(16): 2089-2101.

[14] Bush SJ, Chen L, Tovar-Corona JM, Urrutia AO. (2017) Alternative splicing and the evolution of phenotypic novelty Philosophical Transactions of the Royal Society B 372(1713): 20150474.

[15] Harr B, Turner LM. (2010) Genome-wide analysis of alternative splicing evolution among Mus subspecies. Molecular Ecology 19: 228-239.

Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów, naukowców i lekarzy. Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂 Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Obrazek z serwisu Freepik.