Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

14.9: RNA-splicing
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
RNA Splicing
 
TRANSCRIPT

14.9: RNA Splicing

14.9: RNA-splicing

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.

Overzicht

Het proces waarbij eukaryoot RNA wordt bewerkt voorafgaand aan eiwittranslatie wordt splicing genoemd. Het verwijdert regio's die niet coderen voor eiwitten en patcht de eiwitcoderende regio's aan elkaar. Splicing maakt het ook mogelijk om verschillende eiwitvarianten uit een enkel gen tot expressie te brengen en speelt een essentiële rol bij de ontwikkeling, weefseldifferentiatie en aanpassing aan omgevingsstress. Fouten bij het splitsen kunnen leiden tot ziekten zoals kanker.

RNA getranscribeerd uit eukaryoot DNA ondergaat verschillende wijzigingen

De RNA-streng die uit eukaryotisch DNA wordt getranscribeerd, wordt het primaire transcript genoemd. De primaire transcripten die zijn aangewezen om mRNA te worden, worden precursor messenger RNA (pre-mRNA) genoemd. Het pre-mRNA wordt vervolgens verwerkt om volwassen mRNA te vormen dat geschikt is voor eiwittranslatie. Eukaryotisch pre-mRNA bevat afwisselende sequenties van exons en introns. Exons zijn nucleotidesequenties die coderen voor eiwitten, terwijl introns de niet-coderende regio's zijn. RNA-splitsingis het proces waarbij introns worden verwijderd en exons aan elkaar worden gepatcht.

Splitsing vindt plaats in de kern

Splitsing wordt gemedieerd door het spliceosoom - een complex van eiwitten en RNA dat kleine nucleaire ribonucleoproteïnen (snRNP's) worden genoemd. Het spliceosoom herkent specifieke nucleotidesequenties op exon / introngrenzen. Ten eerste bindt het zich aan een GU-bevattende reeks aan het 5'-uiteinde van het intron en aan een vertakkingspuntsequentie die een A bevat aan het 3'-uiteinde van het intron. In een aantal zorgvuldig georkestreerde stappen brengen andere snRNP's het vertakkingspunt vervolgens dicht bij de 5'-splitsingsplaats. Vervolgens splitst een chemische reactie het 5'-uiteinde van het intron van zijn stroomopwaartse exon en bevestigt het aan het vertakkingspunt, waardoor een lus wordt gevormd die een lariat wordt genoemd. Om het lariat vrij te maken, reageert het 3'-uiteinde van het stroomopwaartse exon met de AG-bevattende sequentie van het intron dichtbij het 5'-uiteinde van het stroomafwaartse exon. Deze reactie herstelt de twee exonen samen en,aldus het splitsingsproces.

Door middel van splitsing kunnen verschillende eiwitten uit één gen worden uitgedrukt

Het proces waarbij verschillende combinaties van exons in pre-mRNA worden samengevoegd om volwassen mRNA te vormen, wordt alternatieve splicing genoemd. Alternatieve splitsing produceert verschillende eiwitten uit een enkel pre-mRNA-transcript.

Normaal gesproken worden exons samengevoegd in de volgorde waarin ze in een gen voorkomen. Tijdens alternatieve splitsing kan deze voorkeursvolgorde van exonen echter worden gewijzigd. Verschillende patronen van alternatieve splitsing omvatten exon skipping, alternatieve 5 'of 3' splitsingsplaatsen en intronretentie. Deze patronen worden bepaald door de lengte van exons of introns en de sterkte van splitsingsplaatsen. Bijgevolg kunnen exons die korter zijn dan andere exons over het hoofd worden gezien door het spliceosoom en worden weggelaten uit het volwassen mRNA. Daarentegen kunnen introns die aanzienlijk korter zijn dan andere introns, verwijdering door het spliceosoom ontwijken en worden vastgehouden inhet volwassen mRNA.

De sterkte van splitsingsplaatsen wordt bepaald door sequentiebehoud rond alternatieve exonen; deze beïnvloeden de 5 'of 3' splitsingsplaatsen die door het spliceosoom worden gekozen. Alternatieve splitsing genereert dus varianten van volwassen mRNA die werden gekopieerd uit hetzelfde stuk DNA.

Tijdens translatie produceren de RNA-sequentievarianten verschillende eiwitten met meer of minder aminozuren, verschuivingen in het leesraam of een voortijdig stopcodon. Dit genereert eiwit-isovormen met verschillende biologische eigenschappen, waaronder functie, cellulaire lokalisatie en interactie met andere eiwitten. Alternatieve splitsing speelt een vitale rol bij genexpressie, waardoor de ontwikkeling van organen, de overleving of proliferatie van cellen en de aanpassing aan veranderingen in de omgeving wordt gecontroleerd.

Abnormale splitsing kan ziekten veroorzaken

Fouten bij het splitsen kunnen worden veroorzaakt door mutaties in het gen zelf of in de regulerende elementen die de expressie van het gen regelen. Een mutatie die optreedt in de exon- of intronsequentie van een specifiek gentranscript wordt een cis- mutatie genoemd. Een mutatie in de splitsingsmachine beïnvloedt verschillende genen en wordt een trans- mutatie genoemd.

Fouten bij de splitsing produceren afwijkende eiwit-isovormen, die kunnen bijdragen aan ziekten, waaronder kanker. Alternatieve splitsing van het BCL2L1- gen genereert bijvoorbeeld een lange en korte eiwit-isovorm - respectievelijk BCL-X L en BCL-X S - door het gebruik van alternatieve 5'-splitsingsplaatsen. De langere isovorm van BCL-X L bevordert de overleving van cellen en komt sterk tot uiting in verschillende soorten kanker (bijv. Bloed-, borst- en leverkanker). Expressie van de korte isovorm BCL-X S die celdood bevordert, wordt onderdrukt bij kanker.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter