Альтернативний сплайсинг

Пре-мРНК, що синтезується під час транскрипції, може піддаватися сплайсингу та поліаденилуванню по різних альтернативних шляхах: кілька екзонів на початку чи всередині гена можуть вирізатися з транскрипту, транскрипт може обрізатися та піддаватися поліаденилуванню за рахунок використання polyA-сигналу всередині одного з інтронів тощо. У результаті утворюються різні молекули мРНК, що містять різні набори екзонів та, відповідно, кодують різні білки. Багатокомпонентність (та необхідність кооперації між компонентами) сплайсосоми та системи розрізання/поліаденилування дозволяє здійснювати тонку регуляцію утворення мРНК певного типу за рахунок зміни транскрипційної активності генів, що кодують ті чи інші компоненти машинерії процесингу, зміни концентрацій компонентів, їх хімічної модифікації.

Ключова роль у визначенні шляху сплайсингу належить білкам-регуляторам сплайсингу (SR). Досить часто регулятор специфічно зв'язується з певною послідовністю нуклеотидів всередині екзона та стимулює впізнання сплайс-сайтів по обидва боки від нього (рис. 7.11, а). Зрозуміло, що при відсутності регулятора такий екзон буде вирізано разом з інтронами, що його фланкують.

Рис. 7.11. Кілька варіантів участі сплайсинг-регуляторів, що зв'язуються всередині екзона (а, б, в) чи інтрона (г, д, е), у визначенні шляху сплайсингу.

У випадку негативної регуляції зв'язування регулятора утруднює впізнання сплайс сайтів. Наприклад, взаємодія з регулятором ініціюється всередині екзона, молекули білка кооперативно зв'язуються поруч одна з одною і в решті решт блокують 3'-сплайс сайт (рис. 7.11, б). Замість заблокованого сприймається наступний такий сайт, і екзон вирізається з молекули разом з двома інтронами, що його фланкують. При наявності іншого регулятора, який також впізнає специфічну послідовність в екзоні, процес зростання білкового комплексу зупиняється, і 3'-сплайс-сайт стає вільним для впізнання елементами сплайсосоми (рис. 7.11, в).

Сплайсинг-регулятори можуть також мати сайти зв'язування в інтронах, впливаючи на ефективність збірки сплайсосоми (рис. 7.11, г). Регулятор може блокувати, наприклад, 3'-сплайс сайт: якщо така блокада відсутня, сайт сприймається (рис. 7.11, д), при наявності регулятора сприймається інший 3'-сплайс сайт всередині екзона – у складі мРНК залишається скорочений екзон (рис. 7.11, е).

Рис. 7.12. Приклад двох шляхів процесингу, вибір яких залежить від впізнання polyA-сигналу всередині інтрона.

Вибір шляху утворення кінцевого мРНК-продукту часто залежить також від альтернативного вибору polyA-сигналів, які можуть бути присутніми не лише нижче останнього екзона, а й всередині інтронів. Приклад такого типу представлено на рис. 7.12. Взагалі, якщо polyA-сигнал знаходиться всередині інтрона, його впізнання блокується 5'-сплайс-сайтом – асоційованими з U1 білками (polyA-сигнал, що знаходиться після термінального екзона, не блокується, оскільки немає 5'-сплайс сайта). У результаті такої блокади polyA-сигнал не впізнається і вирізається разом з інтроном. Але якщо діє специфічний спласинг-регулятор, який заважає впізнанню 5'-сплайс сайта або взаємодії U1-білків з елементами системи впізнання polyA-сигналу, сигнал впізнається, і мРНК втрачає усі екзони, що розташовані нижче від сигналу. Наприклад, сплайсинг мРНК важкого ланцюга імуноглобуліну IgM спрямовується по першому шляху (внутрішній polyA-сигнал ігнорується) у В-лімфоцитах, що розвиваються, – синтезується мембранна форма білка, яка містить С-кінцевий домен, зв'язаний з мембраною. У плазматичних клітинах спрацьовує внутрішній polyA-сигнал (впізнання сигналу підсилюється також завдяки зростання концентрації CstF), і синтезується секреторна форма білка.

Рис. 7.13. Різні положення РНК-полімерази через однаковий проміжок часу внаслідок різниці у швидкості транскрипції.

Поряд із концентрацією елементів машинерії процесінга та спласинг-регуляторами, досить важливим фактором регуляції сплайсингу є швидкість транскрипції (як у розумінні швидкості руху полімерази, так і у сенсі числа полімераз, що одночасно працюють на даному гені). У випадку інтрона середньої довжини 3'-сплайс сайт синтезується РНК-полімеразою через 15-30 хв. після 5'-сплайс сайта. За цей час впізнання 5'-сплайс сайта вже завершене, і перший 3'-сплайс-сайт впізнається як такий. Якщо за досить короткий час синтезується кілька 3'-сплайс сайтів, з'являється конкуренція між ними за відповідні елементи сплайсосоми. При цьому перший з сайтів буде вигравати при низькій швидкості руху полімерази (рис. 7.13).

Швидкість транскрипції у розумінні числа полімераз, що одночасно працюють на даному гені, також впливає на процесинг: чим нижчою є швидкість, тим більше часу “розібратися“ з сигналами, на великій швидкості полімераза може “проскочити“ через екзон чи polyA-сигнал. При цьому слід зауважити, що швидкість (частота рекрутування полімераз до промотора) визначається на стадії ініціації та контролюється транскрипційними факторами. Отже, значною мірою шлях процесингу визначається вже на етапі ініціації транскрипції. При цьому до промотора (і, відповідно, до РНК-полімеразного комплексу) можуть рекрутуватися також і регулятори сплайсингу. Відповідно, на химерних генах з чужорідним промотором часто спостерігаються дефекти процесингу.