Методическая статья

Анализ сплайсинга пре-РНК: от фундаментальной науки к прикладным исследованиям

1.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64630

⸱

12 сентября 2022 г.

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Voss, P. G., Haudek, K. C., Patterson, R. J., Wang, J. L. Комплементация активности сплайсинга комплексом галектин-3-u1 snrnp на гранулах. Журнал визуализированных экспериментов. (166), E61990 (2020).

Wong, J., Martelly, W., Sharma, S. Репортерный клеточный анализ для мониторинга эффективности сплайсинга. Журнал визуализированных экспериментов. (175), E63014 (2021).

van der Feltz, C. Анализы ACT1-CUP1 определяют субстрат-специфичную чувствительность сплайсосомальных мутантов в почковающихся дрожжах. Журнал визуализированных экспериментов. (184), e63232 (2022).

Carvalho, F. A., Barros, M. R. A., Girotto, T. P. F., Perona, M. G., Oliveira, C. C. Использование grafix для обнаружения переходных интеракторов субкомплексов сплайсосом saccharomyces cerevisiae. Журнал визуализированных экспериментов. (165), E61994 (2020).

Basei, F. L., Moura, L. A. R., Kobarg, J. Использование инструмента E1a minigene для изучения изменений сплайсинга мрнк. Журнал визуализированных экспериментов. (170), E62181 (2021).

Gatti da Silva, G. H., Coltri, P. P. Репортерный анализ созревания интронной микроРНК в клетках млекопитающих. Журнал визуализированных экспериментов. (184), e63498 (2022).

Редакционная статья

Одним из основных факторов клеточного фенотипа у эукариот является экспрессия генов. Контроль экспрессии генов имеет важное значение и опирается на множество белков и РНК, от транскрипции до процессов трансляции1. Изменения на этих этапах могут спровоцировать несколько различных заболеваний. Процессинг РНК и сплайсинг составляют важную группу реакций, ответственных за образование зрелых молекул РНК 2,3,4,5. Сплайсинг удаляет интроны и соединяет экзоны для создания зрелой молекулы РНК, способной выполнять функциональную и структурную активность. Эффективность и скорость сплайсинга сильно влияют на фенотипы, наблюдаемые в различных условиях6.

Сплайсинг осуществляется сложным макромолекулярным механизмом, называемым сплайсосомой, который состоит из пяти нРНК и более 100 белков 5,7. В дополнение к основным белковым компонентам, сплайсосомы имеют трансакционные белки, которые могут непосредственно влиять на регуляцию этого процесса 8,9. Важность сплайсинга отражается в широком спектре заболеваний, вызванных изменениями в этом процессе, включая нейродегенеративные расстройства, нервно-мышечные заболевания и несколько видов рака 3,10,11. Изучение динамики сплайсинга и сборки сплайсосом может сильно повлиять на понимание биологии этих нарушений.

Сборка сплайсосомы начинается с ассоциации U1 snRNP со специфическим участком недавно транскрибируемой пре-мРНК, 5'-сайтом сплайсинга 5,8. Эффективное спаривание и распознавание 5'-сайтов сплайсинга с помощью U1 snРНК не только определяет сайты сплайсинга, которые следует использовать, но и контролирует, какие пре-РНК будут сплайсированы первыми или более эффективно 6,12,13. Использование различных сайтов сплайсинга может привести к получению нескольких альтернативных изоформ зрелых РНК из одного и того же гена. Альтернативный сплайсинг является основным источником протеомного разнообразия, позволяя генерировать РНК и белки, необходимые во время развития или в различных клетках и тканях14,15. Альтернативные транскрипты РНК могут генерировать усеченные или нефункциональные изоформы белка, которые могут вызывать заболевания 10,16. Таким образом, белковые компоненты комплекса U1 snRNP играют важную регуляторную роль в сплайсинге1. Галектин-1 и галектин-3 (Gal1 и Gal3) являются компонентами U1 snRNP17,18. Voss et al.19 предлагают метод фракционирования ядерного экстракта для получения комплексов, обогащенных Gal3-U1 snRNP, способных спасать активность сплайсинга в клетках, обедненных U1. Этот анализ способствует пониманию механизма ассоциации Gal3 со сплайсосомами, и аналогичные подходы могут быть использованы для изучения других потенциальных регуляторных белков сплайсинга.

Связывание U1 snRNP с 5'-сайтами сплайсинга является важным медиатором точности сплайсинга20. Мутации в 5'-сайтах сплайсинга имеют решающее значение и вызывают потерю спаривания U1 snRNP, что приводит к дефектам сплайсинга2. Муковисцидоз, например, вызывается мутировавшим 5'-сайтом сплайсинга в гене CFTR21. Wong et al.22 описывают метод компенсации мутаций 5'-сайта сплайсинга комплементарными мутациями в U1 snРНК. Этот подход успешно способствует включению экзонов, генерируя зрелые РНК и приводя к спасению от дефектов сплайсинга. В дополнение к предложению возможной терапии этих заболеваний на основе РНК, этот подход может быть полезен для анализа индивидуальных регуляторных последовательностей в пре-мРНК23.

Верность ассоциации U1 snРНК сайтам сплайсинга также исследуется в модельной системе дрожжей ван дер Фельцем24. Почковающиеся дрожжи Saccharomyces cerevisiae широко использовались для изучения кинетики сплайсинга и сборки сплайсосомы25. Кинетика сплайсинга и состав сплайсосом хорошо сохраняются у эукариот, и дрожжи широко используются для мониторинга образования промежуточных комплексов во время сборки26. Репортерный анализ ACT1-CUP1 основан на экспрессии пары генов: ACT1, который содержит один интрон с оптимальными последовательностями сайтов сплайсинга, и CUP1, который экспрессирует медный хелатор, защищающий клетку от повреждений, вызванных ионом этого металла. CUP1 выражается только в том случае, если ACT1 правильно сращен, что приводит к созданию репортерной системы27. Рост клеток в условиях различных концентраций меди можно контролировать для определения эффективности сплайсинга различных последовательностей интронов или с использованием различных регуляторных белков. Ван дер Фельц24 представляет метод анализа эффектов регуляторного белка сплайсинга с использованием этой репортерной системы и анализов жизнеспособности меди. Аналогичный подход может быть использован для разработки вариаций в последовательностях интронов в сочетании с различными белками для решения проблемы успешного сплайсинга у дрожжей.

В дополнение к ассоциации snRNP, связывание белков имеет важное значение во время сборки сплайсосом1. Контроль активности сплайсосомы напрямую зависит от ее белкового состава и взаимодействий, происходящих при ее формировании. Структурные и функциональные особенности белковых компонентов имеют важное значение для активации комплекса 5,7. Carvalho et al.28 используют подход, основанный на методе Grafix, который основан на необратимом сшивании белков в анализе глицеринового градиента. В этом анализе рассматривается состав белков и переходные взаимодействия, происходящие во время сборки, которые могут иметь решающее значение для сборки активного комплекса и успеха сплайсинга. Анализ других динамических макромолекулярных комплексов с помощью этого подхода может быть очень полезным и дать представление об организации и взаимодействиях белков.

На химический состав и скорость сплайсинга также влияет динамическая ассоциацияразличных компонентов сплайсосом8. В последнее время использование ингибиторов сплайсинга на малых молекулах показало, что определенные этапы могут быть остановлены in vitro из-за сниженной скорости реакций сплайсинга. Basei et al.31 представляют метод анализа альтернативного сплайсинга на влияние регуляторного фактора сплайсинга, Nek4. Рассмотрен вопрос о распространенности изоформ транскриптов, приводящих к про- или противоопухолевым фенотипам в клетках HEK293 с использованием минигена. Неправильная регуляция сплайсинга или различное использование сайтов сплайсинга может привести к альтернативному генерированию транскриптов, вызывая различныетипы рака. Использование модуляторов или ингибиторов сплайсинга во время терапии может определить выбор места сплайсинга, тем самым определяя генерируемые альтернативные изоформы, будь то про- или противоопухолевые. В настоящее время в качестве химиотерапевтических средств используются паклитаксел и цисплатин. С помощью минигена E1A устраняются эффекты этих препаратов в альтернативном сплайсинге. Анализ альтернативного сплайсинга с использованием минигенов является важной стратегией для мониторинга эффектов трансактивных белков и изменений сплайсинга на терапию и использование конкретных препаратов.

В этой линии сообщалось, что многие интронные микроРНК (микроРНК) связаны с опухолевыми фенотипами32,33. Контроль и регуляция синтеза интронных микроРНК и биогенеза могут быть связаны с контролем реакций сплайсинга. МикроРНК могут модулировать стабильность и распространенность мРНК в клетках, влияя на стабильность РНК и скорость трансляции34 . Гатти да Силва и Колтри35 описывают репортерную систему для оценки биогенеза и созревания интронных микроРНК, которые могут быть напрямую связаны с изменениями в клеточных фенотипах и определением про- или противоопухолевых характеристик. С помощью модуляции сплайсинг-регуляторного белка HuR система позволяет анализировать биогенез и функциональную активность интронной онкогенной микроРНК.

Анализ сплайсинга пре-РНК и созревания различных РНК в конкретных клетках будет иметь важное значение для понимания и интерпретации геномной информации. Сплайсосомы дрожжей и млекопитающих сохраняются, и фундаментальные исследования могут улучшить использование различных методов, применяемых в терапии и биомедицине. Несмотря на большое количество геномных данных, доступных в настоящее время, экспрессия этой информации в фенотипах может быть клеточно-специфичной и зависеть от процессинга РНК и сплайсинга. Понимание сложной регуляции этого процесса будет иметь важное значение для будущих исследований.

Раскрытие информации

Автору нечего раскрывать.

Благодарности

Автор выражает благодарность гранту Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) номер 2019/21874-5 и Universidade de São Paulo за непрерывную поддержку исследований.

Ссылки

  1. Wahl, M. C., Will, C. L., Lührmann, R. The spliceosome: design principles of a dynamic RNP machine. Cell. 136 (4), 701-718 (2009).
  2. Scotti, M. M., Swanson, M. S. RNA mis-splicing in disease. Nature Reviews Genetics. 17 (1), 19-32 (2016).
  3. Singh, R. K., Cooper, T. A. Pre-mRNA splicing in disease and therapeutics. Trends in Molecular Medicine. 18 (8), 472-482 (2012).
  4. Staley, J. P., Guthrie, C. Mechanical devices of the spliceosome: Motors, clocks, springs, and things. Cell. 92 (3), 315-326 (1998).
  5. Wilkinson, M. E., Charenton, C., Nagai, K. RNA splicing by the spliceosome. Annual Review of Biochemistry. 89, 291(2020).
  6. Fu, X. D., Ares, M. Context-dependent control of alternative splicing by RNA-binding proteins. Nature Reviews Genetics. 15 (10), 689-701 (2014).
  7. Zhang, X., et al. An atomic structure of the human spliceosome. Cell. 169 (5), 918-929 (2017).
  8. Will, C. L., Lührmann, R. Spliceosome structure and function. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 3 (7), 003703(2011).
  9. Jurica, M. S., Moore, M. J. Pre-mRNA splicing: Awash in a sea of proteins. Molecular Cell. 12 (1), 5-14 (2003).
  10. Coltri, P. P., dos Santos, M. G. P., da Silva, G. H. G. Splicing and cancer: Challenges and opportunities. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA. 10 (3), 1527(2019).
  11. Havens, M. A., Duelli, D. M., Hastings, M. L. Targeting RNA splicing for disease therapy. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA. 4 (3), 247-266 (2013).
  12. Pandit, S., et al. Genome-wide analysis reveals SR protein cooperation and competition in regulated splicing. Molecular Cell. 50 (2), 223-235 (2013).
  13. Wang, Y., et al. A complex network of factors with overlapping affinities represses splicing through intronic elements. Nature Structural and Molecular Biology. 20 (1), 36-45 (2013).
  14. Kornblihtt, A. R., et al. Alternative splicing: A pivotal step between eukaryotic transcription and translation. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (3), 153-165 (2013).
  15. Lee, Y., Rio, D. C. Mechanisms and regulation of alternative pre-mRNA splicing. Annual Review of Biochemistry. 84, 291(2015).
  16. Dvinge, H., Kim, E., Abdel-Wahab, O., Bradley, R. K. RNA splicing factors as oncoproteins and tumour suppressors. Nature Reviews Cancer. 16 (7), 413-430 (2016).
  17. Vyakarnam, A., Dagher, S. F., Wang, J. L., Patterson, R. J. Evidence for a role for galectin-1 in pre-mRNA splicing. Molecular and Cellular Biology. 17 (8), 4730-4737 (1997).
  18. Dagher, S. F., Wang, J. L., Patterson, R. J. Identification of galectin-3 as a factor in pre-mRNA splicing. Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (4), 1213-1217 (1995).
  19. Voss, P. G., Haudek, K. C., Patterson, R. J., Wang, J. L. Complementation of splicing activity by a galectin-3-u1 snrnp complex on beads. Journal of Visualized Experiments. (166), e61990(2020).
  20. Shao, W., Kim, H. -S., Cao, Y., Xu, Y. -Z., Query, C. C. A U1-U2 snRNP interaction network during intron definition. Molecular and Cellular Biology. 32 (2), 470-478 (2012).
  21. Michaels, W. E., Pena-Rasgado, C., Kotaria, R., Bridges, R. J., Hastings, M. L. Open reading frame correction using splice-switching antisense oligonucleotides for the treatment of cystic fibrosis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (3), 2114886119(2022).
  22. Wong, J., Martelly, W., Sharma, S. A reporter based cellular assay for monitoring splicing efficiency. Journal of Visualized Experiments. (175), e63014(2021).
  23. Hamid, F. M., Makeyev, E. v A mechanism underlying position-specific regulation of alternative splicing. Nucleic Acids Research. 45 (21), 12455-12468 (2017).
  24. vander Feltz, C. ACT1-CUP1 assays determine the substrate-specific sensitivities of spliceosomal mutants in budding yeast. Journal of Visualized Experiments. (184), e63232(2022).
  25. Plaschka, C., Newman, A. J., Nagai, K. Structural basis of nuclear pre-mRNA splicing: Lessons from Yeast. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 11 (5), 032391(2019).
  26. Stevens, S. W., Abelson, J. Yeast pre-mRNA splicing: methods, mechanisms, and machinery. Methods in Enzymology. 351, 200-220 (2002).
  27. Lesser, C. F., Guthrie, C. Mutational analysis of pre-mRNA splicing in Saccharomyces cerevisiae using a sensitive new reporter gene, CUP1. Genetics. 133 (4), 851-863 (1993).
  28. Carvalho, F. A., Barros, M. R. A., Girotto, T. P. F., Perona, M. G., Oliveira, C. C. Utilization of grafix for the detection of transient interactors of saccharomyces cerevisiae spliceosome subcomplexes. Journal of Visualized Experiments. (165), e61994(2020).
  29. Effenberger, K. A., Urabe, V. K., Jurica, M. S. Modulating splicing with small molecular inhibitors of the spliceosome. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA. 8 (2), 1381(2017).
  30. Corrionero, A., Miñana, B., Valcárcel, J. Reduced fidelity of branch point recognition and alternative splicing induced by the anti-tumor drug spliceostatin A. Genes and Development. 25 (5), 445-459 (2011).
  31. Basei, F. L., Moura, L. A. R., Kobarg, J. Using the e1a minigene tool to study mrna splicing changes. Journal of Visualized Experiments. (170), e62181(2021).
  32. Volinia, S., et al. A microRNA expression signature of human solid tumors defines cancer gene targets. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (7), 2257-2261 (2006).
  33. Lu, J., et al. MicroRNA expression profiles classify human cancers. Nature. 435 (7043), 834-838 (2005).
  34. Bartel, D. P. Metazoan microRNAs. Cell. 173 (1), 20-51 (2018).
  35. Gatti da Silva, G. H., Coltri, P. P. A reporter assay to analyze intronic microRNA maturation in mammalian cells. Journal of Visualized Experiments. (184), e63498(2022).

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Splicing ActivityGalectin-3U1 SnRNP ComplexSplicing EfficiencySpliceosomal MutantsBudding YeastTransient InteractorsSaccharomyces CerevisiaeE1a Minigene ToolIntronic MicroRNA Maturation