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14.9: Splicing do RNA
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RNA Splicing
 
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14.9: RNA Splicing

14.9: Splicing do RNA

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.

Visão Geral

O processo em que o RNA eucariótico é editado antes da tradução de proteínas é chamado de splicing. Ele remove regiões que não codificam proteínas e junta as regiões de codificação de proteínas. O splicing também permite que várias variantes proteicas sejam expressas a partir de um único gene e desempenha um papel essencial no desenvolvimento, diferenciação de tecidos e adaptação ao stress ambiental. Erros no splicing podem levar a doenças como o cancro.

O RNA Transcrito do DNA Eucariótico Sofre Várias Modificações

A cadeia de RNA transcrita do DNA eucariótico é chamada de transcripto primário. Os transcriptos primárias designados a tornarem-se mRNA são chamados de precursores do RNA mensageiro (pré-mRNA). O pré-mRNA é então processado para formar mRNA maduro que é adequado para tradução de proteínas. O pré-mRNA eucariótico contém sequências alternadas de exões e intrões. Os exões são sequências de nucleótidos que codificam proteínas, enquanto que intrões são as regiões não codificantes. O splicing do RNA é o processo pelo qual os intrões são removidos e os exões são unidos.

O Splicing Ocorre Dentro do Núcleo

O splicing é mediado pelo spliceossoma—um complexo de proteínas e RNAs chamados ribonucleoproteínas nucleares pequenas (snRNPs). O spliceossoma reconhece sequências específicas de nucleótidos nos limites exão/intrão. Primeiro, ele liga-se a uma sequência contendo GU no terminal 5’ do intrão e a uma sequência de ponto de ramificação contendo um A na direção do terminal 3’ do intrão. Em uma série de etapas cuidadosamente orquestradas, outros snRNPs, em seguida, levam o ponto de ramificação para perto do local de splicing de 5’. Posteriormente, uma reação química corta a extremidade 5’ do intrão do seu exão a montante e prende-a ao ponto de ramificação, formando um laço chamado lariat. Para liberar o lariat, o terminal 3’ do exão a montante reage com a sequência do intrão contendo AG perto do terminal 5’ do exão a jusante. Essa reação junta os dois exões e, assim, conclui o processo de splicing.

O Splicing Permite a Expressão de Várias Proteínas de um Único Gene

O processo pelo qual diferentes combinações de exões no pré-mRNA são unidos para formar mRNA maduro é chamado de splicing alternativo. O splicing alternativo produz várias proteínas diferentes a partir de um único transcripto de pré-mRNA.

Normalmente, os exões são unidos pela ordem em que aparecem em um gene. No entanto, durante o splicing alternativo, esta sequência preferencial de exões pode ser alterada. Diferentes padrões de splicing alternativo incluem salto de exões, locais alternativos de splicing 5’ ou 3’ e retenção de intrões. Esses padrões são guiados pelo comprimento dos exões ou intrões e pela força dos locais de splicing. Consequentemente, exões que são mais curtos do que outros exões podem ser negligenciados pelo splicing e omitidos do mRNA maduro. Em contraste, intrões que são significativamente mais curtos do que outros intrões podem evitar a remoção pelo spliceossoma e serem retidos no mRNA maduro.

A força dos locais de splicing é determinada pela conservação da sequência em volta de exões alternados; estes influenciam os locais de splicing 5’ ou 3’ escolhidos pelo spliceossoma. Assim, o splicing alternativo gera variantes de mRNA maduro que foram copiados da mesma porção de DNA.

Durante a tradução, as variantes de sequência de RNA produzem diferentes proteínas com mais ou menos aminoácidos, mudanças na matriz de leitura ou um codão de terminação prematuro. Isso gera isoformas proteicas com diferentes propriedades biológicas, incluindo função, localização celular e interação com outras proteínas. O splicing alternativo desempenha um papel vital na expressão genética, controlando assim o desenvolvimento de órgãos, a sobrevivência ou proliferação celular e a adaptação às mudanças ambientais.

Splicing Anormal Pode Causar Doenças

Erros no splicing podem ser causados por mutações no próprio gene ou nos elementos regulatórios que controlam a expressão do gene. Uma mutação que ocorre na sequência de exão ou intrão do transcripto de um gene específico é chamada de mutação cis. Uma mutação na maquinaria do splicing afeta vários genes e é chamada de mutação trans.

Erros no splicing produzem isoformas aberrantes de proteínas, que podem contribuir para doenças, incluindo o cancro. Por exemplo, o splicing alternativo do gene BCL2L1 gera uma isoforma proteica longa e uma curta—BCL-XL e BCL-XS, respectivamente—através do uso de locais de splicing 5’ alternativos. A isoforma mais longa BCL-XL promove a sobrevivência celular e é altamente expressa em vários tipos de cancro (por exemplo, cancro do sangue, mama e fígado). A expressão da isoforma curta BCL-XS que promove a morte celular, é suprimida no cancro.


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