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14.9: RNA-Spleißen
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RNA Splicing
 
PROTOKOLLE

14.9: RNA Splicing

14.9: RNA-Spleißen

Overview

The process in which eukaryotic RNA is edited prior to protein translation is called splicing. It removes regions that do not code for proteins and patches the protein-coding regions together. Splicing also allows several protein variants to be expressed from a single gene and plays an essential role in development, tissue differentiation, and adaptation to environmental stress. Errors in splicing can lead to diseases such as cancer.

RNA Transcribed from Eukaryotic DNA Undergoes Several Modifications

The RNA strand transcribed from eukaryotic DNA is called the primary transcript. The primary transcripts designated to become mRNA are called precursor messenger RNA (pre-mRNA). The pre-mRNA is then processed to form mature mRNA that is suitable for protein translation. Eukaryotic pre-mRNA contains alternating sequences of exons and introns. Exons are nucleotide sequences that code for proteins whereas introns are the non-coding regions. RNA splicing is the process by which introns are removed and exons patched together.

Splicing Occurs within the Nucleus

Splicing is mediated by the spliceosome—a complex of proteins and RNA called small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs). The spliceosome recognizes specific nucleotide sequences at exon/intron boundaries. First, it binds to a GU-containing sequence at the 5’ end of the intron and to a branch point sequence containing an A towards the 3’ end of the intron. In a number of carefully-orchestrated steps, other snRNPs then bring the branch point close to the 5’ splice site. Subsequently, a chemical reaction cleaves the 5’ end of the intron from its upstream exon and attaches it to the branch point, forming a loop called a lariat. To release the lariat, the 3’ end of the upstream exon reacts with the AG-containing sequence of the intron close to the 5’ end of the downstream exon. This reaction patches the two exons together and, thus, concludes the splicing process.

Splicing Allows Expression of Several Proteins from a Single Gene

The process by which different combinations of exons in pre-mRNA are joined to form mature mRNA is called alternative splicing. Alternative splicing produces several different proteins from a single pre-mRNA transcript.

Normally, exons are joined together in the order in which they appear in a gene. However, during alternative splicing, this preferred sequence of exons may be altered. Different patterns of alternative splicing include exon skipping, alternative 5’ or 3’ splice sites, and intron retention. These patterns are guided by the length of exons or introns and the strength of splice sites. Consequently, exons that are shorter than other exons may be overlooked by the spliceosome and omitted from the mature mRNA. In contrast, introns that are significantly shorter than other introns may evade removal by the spliceosome and are retained in the mature mRNA.

The strength of splice sites is determined by sequence conservation around alternative exons; these influence the 5’ or 3’ splice sites chosen by the spliceosome. Thus, alternative splicing generates variants of mature mRNA that were copied from the same stretch of DNA.

During translation, the RNA sequence variants produce different proteins with additional or fewer amino acids, shifts in the reading frame, or a premature stop codon. This generates protein isoforms with different biological properties including function, cellular localization, and interaction with other proteins. Alternative splicing plays a vital role in gene expression, thereby controlling organ development, cell survival or proliferation, and adaptation to environmental changes.

Abnormal Splicing Can Cause Diseases

Errors in splicing may be caused by mutations in the gene itself or in the regulatory elements that control the expression of the gene. A mutation that occurs in the exon or intron sequence of a specific gene transcript is called a cis-mutation. A mutation in the splicing machinery affects several genes and is called a trans-mutation.

Errors in splicing produce aberrant protein isoforms, which may contribute to diseases, including cancer. For instance, alternative splicing of the BCL2L1 gene generates a long and short protein isoform—BCL-XL and BCL-XS, respectively—through the use of alternative 5’ splice sites. The longer BCL-XL isoform promotes cell survival and is highly expressed in several types of cancers (e.g., blood, breast, and liver cancers). Expression of the short BCL-XS isoform that promotes cell death, is suppressed in cancer.

Überblick

Der Prozess, bei dem die Eukaryontische RNA vor der Proteinübersetzung bearbeitet wird, wird Spleißen genannt. Dabei werden Bereiche, die nicht für Proteine kodieren, entfernt und proteinkodierende Abschnitte zusammengefügt. Das Spleißen erlaubt auch die Expression mehrerer Proteinvarianten von einem einzigen Gen. Bei der Entwicklung, Gewebedifferenzierung und der Anpassung an Umweltstress spielt es eine entscheidende Rolle. Fehler beim Spleißen können zu Krankheiten wie Krebs führen.

Die von eukaryontischer DNA transkribierte RNA durchläuft mehrere Modifikationen

Der von eukaryontischer DNA transkribierte RNA-Strang wird als primäres Transkript bezeichnet. Die primären Transkripte, die als mRNA bezeichnet werden, werden als Vorläufer-Boten-RNA (pre-mRNA) bezeichnet. Die prä-mRNA wird dann zu reifer mRNA prozessiert, die für die Proteinübersetzung geeignet ist. Eukaryontische prä-mRNA enthält abwechselnde Sequenzen von Exons und Introns. Exons sind Nukleotidsequenzen, die für Proteine kodieren, während Introns die nicht-kodierenden Bereiche darstellen. Das RNA-Spleißen ist der Prozess, bei dem Introns entfernt und Exons zusammengefügt werden.

Die Spleißung erfolgt innerhalb des Nucleus

.

Das Spleißen wird durch das Spleißosom vermittelt. Das ist ein Komplex aus Proteinen und RNA. Man bezeichnet ihn als kleine nukleare Ribonukleoproteine (snRNPs). Das Spleißosom erkennt spezifische Nukleotidsequenzen an Exon- und Intron-Grenzen. Zunächst bindet es an eine GU-haltige Sequenz am 5’ Ende des Introns und an eine Verzweigungspunkt-Sequenz, die ein A gegen das 3' Ende des Introns enthält. In einer Anzahl sorgfältig abgestimmter Schritte bringen dann andere snRNPs den Verzweigungspunkt nahe an die 5’ Spleißstelle. Anschließend spaltet eine chemische Reaktion das 5’ Ende des Introns von seinem stromaufwärts gelegenen Exon ab und verbindet es mit dem Verzweigungspunkt, wobei eine Schleife entsteht, die man Lariat nennt. Um das Lariat freizusetzen, reagiert das 3’ Ende des stromaufwärtigen Exons mit der AG-haltigen Sequenz des Introns nahe dem 5’ Ende des stromabwärtigen Exons. Diese Reaktion flickt die beiden Exons zusammen und schließt damit den Spleißprozeß ab.

Das Spleißen erlaubt die Expression mehrerer Proteine aus einem einzigen Gen

Der Prozess, bei dem verschiedene Kombinationen von Exons in der Prä-mRNA verbunden werden, nennt sich alternatives Spleißen. Sein Ziel ist es, reife mRNA zu bilden. Alternatives Spleißen produziert mehrere verschiedene Proteine aus einem einzigen prä-mRNA-Transkript.

Normalerweise werden Exons in der Reihenfolge zusammengefügt, in der sie in einem Gen erscheinen. Während des alternativen Spleißens kann diese bevorzugte Sequenz von Exons jedoch verändert werden. Verschiedene Muster des alternativen Spleißens sind Exon-Skipping, alternatives 5’ oder 3’ Spleißen und Intron-Retention. Diese Muster werden durch die Länge der Exons oder Introns und die Stärke der Spleißstellen bestimmt. Folglich können Exons, die kürzer als andere Exons sind, vom Spleißosom übersehen und in der reifen mRNA ausgelassen werden. Im Gegensatz dazu können Introns, die signifikant kürzer als andere Introns sind, der Entfernung durch das Spleißosom entgehen und werden in der reifen mRNA zurückgehalten.

Die Stärke der Spleißstellen wird durch die Sequenzerhaltung um alternative Exons herum bestimmt. Diese beeinflussen die vom Spleißosom gewählten 5’ oder 3’ Spleißstellen. So erzeugt das alternative Spleißen Varianten reifer mRNA, die aus dem gleichen DNA-Abschnitt kopiert wurden.

Die RNA-Sequenzvarianten produzieren während der Translation verschiedene Proteine mit zusätzlichen oder weniger Aminosäuren, Verschiebungen im Leseraster oder einem vorzeitigen Stoppcodon. Dadurch entstehen Protein-Isoformen mit unterschiedlichen biologischen Eigenschaften wie Funktion, zelluläre Lokalisierung und Interaktion mit anderen Proteinen. Alternatives Spleißen spielt eine wichtige Rolle bei der Genexpression und steuert somit die Entwicklung von Organen, das Überleben oder die Vermehrung von Zellen und die Anpassung an Veränderungen der Umwelt.

Abnormales Spleißen kann zu Krankheiten führen

Fehler beim Spleißen können durch Mutationen im Gen selbst oder in den regulatorischen Elementen, die die Expression des Gens kontrollieren, verursacht werden. Eine Mutation, die in der Exon- oder Intronsequenz eines bestimmten Gentranskripts auftritt, wird als cis-Mutation bezeichnet. Eine Mutation in der Spleißmaschinerie betrifft mehrere Gene und wird als Trans-Mutation bezeichnet.

Fehler beim Spleißen erzeugen anomale Protein-Isoformen, die zu Krankheiten, wie z. B. Krebs, beitragen können. Zum Beispiel erzeugt das alternative Spleißen des BCL2L1-Gens eine lange und kurze Protein-Isoform—BCL-XL und BCL-XS, d.h. durch die Verwendung von alternativen 5’ Spleißstellen. Die längere BCL-XL-Isoform fördert das Überleben der Zellen und wird bei verschiedenen Krebsarten (z.B. Blut-, Brust-und Leberkrebs) stark exprimiert. Die Expression der kurzen BCL-XS-Isoform, die den Zelltod fördert, wird bei Krebs unterdrückt.


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