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Splicing
Diagramm, das die beiden Schritte der Spleißreaktion zeigt.

Spleißen ist in der Genetik eine Änderung der genetischen Information nach Transkription. Während der RNA-Verarbeitung werde der Introns aus der prä-mRNA geschnitten und die Exons von dem Prä-mRNA zusammenkleben. Introns finden sich hauptsächlich in eukaryotische Zellen. Der Begriff Spleißen leitet sich von dem Seile spalten, bei dem Abschnitte eines Seils durch Verdrillen von Litzen miteinander verbunden werden.

Als die Introns wurden aus der prä-mRNA geschnitten (dies wird als Dekollete), nur der Exons Über. Diese Exons zu einem neuen Ganzen verbinden, das mRNA, wird Spleißen genannt, nach dem Capping (wörtlich das Aufsetzen einer Kappe bedeutet das Hinzufügen von 7-Methylguanosin zum Kopf) und der Polyadenylierung (Poly-A-Schwanz am Ende) ist die mRNA fertig Übersetzung zu durchlaufen.

Spleißen, kappen und Polyadenylierung gleichzeitig während der Transkription auftreten. Dieser cotranskriptionelle RNA-Prozess wurde als "RNA-Fabrik" bezeichnet.

Spleißarten

In der Natur kommen verschiedene Arten von Spleißen vor. Die Methode des Spleißens hängt vom Intron und dem zugehörigen Intron ab Katalysator. Bei allen Arten des Spleißens werden die herausgeschnittenen Introns abgebaut.

Spleißosom

Spleißosomale Introns werden häufig in . gefunden eukaryotische, proteinkodierend Gene. Das Spleißen erfordert eine 3'-Spleißstelle, eine 5'-Spleißstelle und eine Verzweigungsstelle (Verzweigungsstelle) auf dem Intron. Das Spleißen wird katalysiert durch die Spleißosom, das aus einem langen RNA-Protein-Komplex besteht und aus fünf kleinen nuklear (nukleare) Ribonukleoproteine ​​(snRNP's, ausgesprochen "snurps"). Der RNA-Anteil der snRNPs reagiert mit dem Intron und ist wahrscheinlich an der Katalyse beteiligt. Es gibt zwei bekannte Arten von Spleißosomen (Major und Moll) mit unterschiedlichen snRNPs.

  • Haupt
Das Hauptspleißosom spleißt Introns, die GU enthalten (Guanin, uracil) an der 5'-Spleißstelle und AG (Adenin, Guanin) an der 3'-Spleißstelle. Es besteht aus der U1, U2, U4, U5 und U6snRNPs.
  • geringer
Das Nebenspleißosom ist dem Hauptspleißosom sehr ähnlich, aber der Spleiß seltener Introns hat unterschiedliche Reihenfolgen (Sequenzen) von Spleißstellen. Hier bestehen die 3'- und 5'-Spleißstellen aus AU (Adenin, Uracil) und AC (Adenin, Cytosin). Das kleine Spleißosom hat wie das große das U5 snRNP, aber unterschiedliche snRNPs für U1, U2, U4 und U6, die U11, U12, U4atac bzw. U6atac genannt werden.
  • Transspleißen
Transspleißen ist eine Form des Spleißens, die zwei Exons verbindet, die sich nicht im selben RNA-Transkript befinden.

selbstspleißend

Selbstspleißen tritt bei einigen seltenen Introns auf, die a Ribozym Formen. In diesem Fall erfolgt das Spleißen allein durch die RNA, d. h. ohne Spleißosomen. Es gibt drei Gruppen von selbstspleißenden Introns, Gruppe I, II und III. Introns der Gruppe II und III führen das Spleißen ähnlich dem Spleißosom durch, verwenden jedoch keinen Proteinkatalysator. Aus evolutionärer Sicht sind sie dem Spleißosom sehr ähnlich.

1981 wurde eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Thomas Cech zeigen, dass im Vorgänger des 26S rRNA von Tetrahymena thermophila, wurde kein Protein für die Bildung eines etwa 400 Nukleotide langen Introns benötigt. Dafür hat Cech zusammen mit Sidney Altman 1989 die Nobelpreis für Chemie. Nachfolgende Studien zeigten, dass Selbstspleißung in viel mehr Organismen auftritt.

Die Gruppe-I-Introns kommen in prä-mRNAs in einfachen Eukaryoten vor, wie z Tetrahymena thermophila und in prä-mRNAs in Zellorganen wie Mitochondrien und Chloroplasten. Das Ausschneiden der Introns erfolgt in zwei Schritten. Wirkt als Katalysator Guanosin die durch die Struktur der RNA korrekt gefaltet wird, wodurch sie eine Reaktion an der 5'-Spleißstelle ausführt. Die 3'-Hydroxygruppe des 5'-Endes des Exons verbindet sich mit der 3'-Spleißstelle des nächsten Exons, verbindet die beiden Exons miteinander und setzt gleichzeitig das Intron frei. Das Intron bildet schließlich einen Ring.

Die Introns der Gruppe II kommen in prä-mRNAs in den Mitochondrien von . vor Ferment und andere Pilze. Ein Guanosin-Cofaktor ist hierfür nicht erforderlich. Aufgrund der Struktur der RNA ist das Adenosin, das 7 oder 8 Nukleotide von der 3'-Spleißstelle entfernt ist, so strukturiert, dass die 5'-Spleißstelle des Nukleophils seine 2'-Hydroxygruppe an das Adenosin binden kann. Dadurch entsteht eine ungewöhnliche 2'-5'-Phosphodiester-Bindung und damit ein lassoförmiges Intron (Lariat). Im zweiten Schritt, der ähnlich dem der Gruppe I ist, werden die Exons zusammengefügt und die Introns freigesetzt.

tRNA-Spleißen

tRNA (auch tRNA-ähnliches) Spleißen ist eine weitere seltene Form des Spleißens, die häufig bei tRNA vorkommt. Es kommt in beiden vor Archaeen wie mit Eukaryoten. Die biochemischen Reaktionen sind hier anders als beim Spleißomsomal und beim Selbstspleißen. Ribonukleasen schneide die RNA, Ligasen kleben Sie die Exons zusammen.

Bei diesem enzymatischen Spleißen werden die Introns nicht an ihrer Sequenz, sondern an einer das gesamte Molekül umgebenden Struktur, wie dem Bulge-Helix-Bulge-Motiv (BHB-Motiv) in Archaea, erkannt und in drei Schritten entfernt. Die Prä-tRNA wird von einer Endonuklease zweimal geschnitten, wodurch das Intron und zwei sogenannte tRNA-Halbmoleküle freigesetzt werden. Das so gebildete cyclische 2'-3'-Phosphat des 5'-Halbmoleküls wird zu einem 2'-Phosphat und einer 3'-OH-Gruppe hydrolysiert, wobei die 5'-OH-Gruppe des 3'-Halbmoleküls verzehrt mit von GTP ist phosphoryliert. Als Ergebnis, Liga mit einer RNA-Ligase und ATP-Hydrolyse. Schließlich wird im letzten Schritt das 2'-Phosphat unter Verbrauch von . entfernt NAD und die Bildung von Nicotinamid. Es sind auch einige mRNAs bekannt, bei denen der gleiche Vorgang wie bei tRNAs abläuft.

Biochemischer Mechanismus

Spleißosomales Spleißen und Selbstspleißen erfolgen in zwei Schritten, mit Umesterungsreaktionen zwischen RNANukleotide Performance. Beim tRNA-Spleißen findet keine Umesterung statt, die Umesterungsreaktionen laufen in einer bestimmten Reihenfolge ab. Zunächst bildet ein Nukleotid an der Verzweigungsstelle (Verzweigungsstelle) mit dem vorderen Nukleotid des Introns ein "Intronlasso" (Lariat). Danach reagiert das posteriore Nukleotid des ersten Exons mit dem vorderen Nukleotid des zweiten Exons, verbindet so die beiden Exons, setzt das Introlasso frei und verschwindet.

Alternatives Spleißen

Durch Variationen im Spleißprozess können in vielen Fällen viele verschiedene Proteine ​​aus derselben mRNA gebildet werden: die sogenannten Proteinisoformen. Dieser Prozess wird alternatives Spleißen erwähnt.

Künstliches Spleißen

Es ist möglich, den Spleißprozess durch Kunstgriffe zu beeinflussen.

Spleißfehler

Mutationen in den Introns oder Exons können das Spleißen blockieren und so die Proteinsynthese verhindern.

Häufige Fehler:

  • Mutation einer Spleißstelle, wodurch diese funktionsunfähig wird und zum Verlust eines Exons oder zum Scheitern eines Introns führt.
  • Mutation einer Spleißstelle, die eine verringerte Spezifität verursacht. Dies führt zu einem Unterschied in der Spleißstelle, was zu Einfügen oder Streichung von Aminosäuren oder gar keine Aminosäurebildung.
  • Transposition (Bewegung) einer Spleißstelle, wodurch lange oder kurze Exons gebildet werden.

Krankheiten

Ein klassisches Beispiel für eine Bedingung, die aus einem Spleißfehler resultiert, ist β-Thalassämie. Es handelt sich um eine Erbkrankheit, die durch eine Punktmutation des Gens an der 5'-Spleißstelle von Intron 1 verursacht wird. Dadurch bildet das Spleißosom kurze oder lange mRNAs, die dann nutzlose Proteine ​​​​machen.
Ein weiteres Beispiel ist eine Mutation im Intron 2 desselben Gens, die ein kurzes Stück Intron 2 in der mRNA hinterlässt.
In beiden Fällen ist die Hämoglobinsynthese in dem Erythrozyten stark gehemmt und ein unzureichender Sauerstofftransport ist möglich.

Es Ehlers-Danlos-Syndrom (EDS) Typ II ist auf eine Mutation in der Verzweigungsstelle (Zweigstelle) des COL5A1-Gens zurückzuführen.

Spinale Muskelatrophie (SMA) ist das Ergebnis einer Mutation in den Splicing-Enhancern/Silencern des SMN1-Gens (Enhancing ist die Fähigkeit zu lesen und Silencing erlaubt kein Lesen).

"RNA-Fabrik" (RNA-Fabrik)

Die verschiedenen Prozesse, wie z Transkription, mRNA-Bildung, mRNA-Transport zum Zytoplasma, RNA-Lokalisierung, Übersetzung und RNA-Abbau beeinflussen und regulieren sich gegenseitig. Die Bildung von prä-mRNA setzt sich auch während des Spleißvorgangs fort. Deshalb wird sie auch als „RNA-Fabrik“ bezeichnet.
Das Spleißen, das im Zellkern stattfindet, kann sogar die Prozesse außerhalb des Zellkerns (im Zytoplasma) beeinflussen. An die reife mRNA wird durch das Spleißosom ein Proteinkomplex (der Exon-Junction-Complex, EJC) angeheftet, der einen effektiven Transport der mRNA aus dem Zellkern ermöglicht. Gleichzeitig werden zusätzliche Informationen übertragen, die eine spätere Qualitätskontrolle der mRNA während der Translation (Nonsense-mediated mRNA Decay, NMD) gewährleisten. Eine vollständige prä-mRNA existiert in einer Zelle nicht, da die Introns bereits während der Transkription entfernt werden.

Übersicht aller Prozesse