$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Większość ludzkich genów jest poddawana alternatywnemu splicingowi (AS) w celu wytworzenia wielu izoform o różnych aktywnościach, co znacznie zwiększyło złożoność kodowania genomu1,2. AS stanowi główny mechanizm regulujący funkcję genów i jest ściśle regulowany przez różne szlaki na różnych etapach komórkowych i rozwojowych3,4. Ponieważ nieprawidłowa regulacja splicingu jest częstą przyczyną chorób u ludzi5,6,7,8, ukierunkowana regulacja splicingu staje się atrakcyjną drogą terapeutyczną.
Zgodnie z uproszczonym modelem regulacji splicingu, AS jest głównie kontrolowany przez Splicing Regulatory cis-Elements (SREs) w pre-mRNA, które funkcjonują jako wzmacniacze splicingu lub tłumiki alternatywnych eksonów. Te SRE w szczególności rekrutują różne transaktywne czynniki białkowe (tj. czynniki splicingowe), które promują lub hamują reakcję splicingu3,9. Większość transakcyjnych czynników splicingu ma oddzielne specyficzne dla sekwencji domeny wiążące RNA, które rozpoznają swoje cele, oraz domeny efektorowe do kontrolowania splicingu. Najbardziej znanymi przykładami są członkowie rodziny białek bogatych w serynę/argininę (SR), które zawierają N-końcowe motywy rozpoznawania RNA (RRM), które wiążą egzoniczne wzmacniacze splicingu, oraz C-końcowe domeny RS, które promują inkluzję eksonów10. I odwrotnie, hnRNP A1 wiąże się z egzonicznymi tłumikami splicingowymi poprzez domeny RRM i hamuje inkluzję eksonów poprzez C-końcową domenę bogatą w glicynę11. Korzystając z takich modułowych konfiguracji, naukowcy powinni być w stanie zaprojektować sztuczne czynniki splicingu, łącząc określoną domenę wiążącą RNA (RBD) z różnymi domenami efektorowymi, które aktywują lub hamują splicing.
Kluczem takiego projektu jest użycie RBD, który rozpoznaje dane cele z programowalną specyficznością wiązania RNA, która jest analogiczna do trybu wiązania DNA w domenie TALE. Jednak większość natywnych czynników splicingu zawiera domeny RRM lub K Homology (KH), które rozpoznają krótkie elementy RNA o słabym powinowactwie, a zatem nie mają predykcyjnego rozpoznawania RNA-białka "kod"12. RBD białek powtórzeń PUF (tj. domena PUF) ma unikalny tryb rozpoznawania RNA, co pozwala na przeprojektowanie domen PUF w celu specyficznego rozpoznawania różnych celów RNA13,14. Kanoniczna domena PUF zawiera osiem powtórzeń trzech α-helis, z których każda rozpoznaje pojedynczą zasadę w celu 8-nt RNA. Łańcuchy boczne aminokwasów w określonych pozycjach drugiej α-helisy tworzą specyficzne wiązania wodorowe z krawędzią zasady Watsona-Cricka, która określa specyficzność wiązania RNA każdego powtórzenia (ryc. 1A). Kod do rozpoznawania zasad RNA powtórzeń PUF jest zaskakująco prosty (Rysunek 1A), co pozwala na generowanie domen PUF, które rozpoznają każdą możliwą kombinację 8-zasad (sprawdzone przez Wei i Wang15).
Ta modułowa zasada projektowania pozwala na generowanie Engineered Splicing Factor (ESF), który składa się z dostosowanej domeny PUF i domeny modulacji splicingu (tj. domeny SR lub domeny bogatej w Gly). Te ESF mogą funkcjonować zarówno jako aktywatory splicingu, jak i jako inhibitory do kontrolowania różnych typów zdarzeń splicingu i okazały się przydatne jako narzędzia do manipulowania splicing endogennych genów związanych z chorobami ludzkimi16,17. Jako przykład skonstruowaliśmy ESF typu PUF-Gly, aby specyficznie zmienić splicing genu Bcl-x, przekształcając antyapoptotyczną długą izoformę (Bcl-xL) w proapoptotyczną krótką izoformę (Bcl-xS). Przesunięcie proporcji izoformy Bcl-x było wystarczające do uwrażliwienia kilku komórek nowotworowych na wiele przeciwnowotworowych leków stosowanych w chemioterapii16, co sugeruje, że te sztuczne czynniki mogą być przydatne jako potencjalne odczynniki terapeutyczne.
Oprócz kontrolowania splicingu za pomocą znanych domen efektorowych splicingu (np. domeny bogatej w RS lub Gly), zmodyfikowane czynniki PUF mogą być również wykorzystywane do badania aktywności nowych czynników splicingowych. Na przykład, stosując to podejście, wykazaliśmy, że domena C-końcowa kilku białek SR może aktywować lub hamować splicing podczas wiązania z różnymi regionami pre-mRNA18, że bogaty w alaninę motyw RBM4 może hamować splicing19, oraz że bogaty w prolinę motyw DAZAP1 może wzmacniać splicing20,21. Te nowe domeny funkcjonalne mogą być używane do konstruowania dodatkowych typów sztucznych czynników w celu precyzyjnego dostrojenia splicingu.