Роль сплайсингу мРНК-попередника в індукованих поживними речовинами експресії генів та метаболізмі 1, 2, 3

Сухана Раві

4 Кафедра клітинної та молекулярної фізіології, Медичний коледж Університету штату Пенсільванія, Герші, Пенсільванія; і

Рудольф Й. Шильдер

5 кафедри ентомології та біології, Університет штату Пенсільванія, Державний коледж, Пенсильванія

Шотландець Кімбол

Анотація

Зрощування попередньої мРНК (пре-мРНК) є критичним етапом у експресії генів, що призводить до видалення інтронних послідовностей з незрілої мРНК, що призводить до виробництва зрілої мРНК, яка може бути перетворена в білок. Альтернативне сплайсинг перед мРНК - це процес, за допомогою якого альтернативні екзони та/або інтрони вибірково включаються або виключаються, утворюючи зрілі мРНК, що кодують білки, які можуть відрізнятися за функцією. Отримані в результаті зміни в схемі експресії ізоформи білка можуть призвести до змін у взаємодії білок-білок, субклітинній локалізації та потоці через метаболічні шляхи. Хоча основні механізми сплайсингу інтронів та екзонів до мРНК досить добре охарактеризовані, як регулюються ці механізми, залишається недостатньо вивченим. Метою цього огляду є висвітлити вибрані останні досягнення в нашому розумінні регуляції сплайсингу пре-мРНК поживними речовинами та модуляції метаболізму поживних речовин, що є результатом змін у сплайсингу пре-мРНК.

Вступ

Регулювання поживних речовин альтернативного зрощування. Метаболіти харчових макроелементів та мікроелементів діють безпосередньо та опосередковано (наприклад, через гормони, що виробляються підшлунковою залозою), модулюючи альтернативні процеси сплайсингу в тканинах-мішенях. Цей процес регулюється шляхами передачі сигналів за поживними речовинами, метаболітами та гормонами.

Зрощення попередньої мРНК

Переважна більшість пре-мРНК ссавців містять інтрони, які видаляються за допомогою 2 реакцій транс-етерифікації, каталізованих сплайсосомою, та пов'язаних з ними допоміжних білків, що призводить до видалення інтрона та приєднання 2 екзонів, що межують з інтроном (1) ( Малюнок 2 ). Ядро сплайсеосоми складається з комплексу з 5 малих частинок ядерного рибонуклеопротеїну (snRNP), які рекрутуються до пре-мРНК залежно від послідовності. Процес зрощування знаходиться під жорстким регулюванням, щоб забезпечити часову та клітинну та тканинну специфіку експресії варіантів зрощення. Частина цього регулювання зумовлена використанням різних snRNP та допоміжних білків для різних типів сплайсингу. Щонайменше 45 snRNP були визначені як компоненти сплайсосоми, і відомо, що> 170 допоміжних білків регулюють процес. Сплайсинг є динамічним, і ремоделювання взаємодій РНК-білок та білок-білок опосередковує прогресування механізму вздовж пре-мРНК.

Білок.

Знижена дієтична доступність однієї або декількох незамінних амінокислот призводить до індукції амінокислотної відповіді (ААР), що сприяє активації декількох сигнальних шляхів, що контролюють транскрипцію, переробку та обмін мРНК (28). Експресія декількох генів в AAR, наприклад, Asn-синтетази, регулюється активацією фактора транскрипції 3 (ATF3), і різні клітинні варіанти ATF3 виявлені в клітинах культури, позбавлених гістидину, сироватки або глюкози (29). Наприклад, Pan et al. (30) спостерігали, що відбулася зміна співвідношення експресії форми сплайсингу мРНК ATF3 у відповідь на депривацію гістидину в клітинах HepG2. Повна довжина ізоформи ATF3 утворює комплекси з корепресорами та інгібує експресію гена AAR. Інші варіанти сплайсингу ATF3 кодують усічені ізоформи, у яких відсутній домен зв'язування ДНК для генів AAR. Ці усічені ізоформи секвеструють корепресори, пов'язані з ATF3, і тим самим опосередковують активацію транскрипції гена AAR. На жаль, механізми, що беруть участь в індукованій амінокислотами регуляції сплайсингу пре-мРНК ATF3, досі не з’ясовані.

Регулювання сплайсингу пре-мРНК мікроелементами

Вітаміни.

Вітаміни отримують у мікроелементах з раціону і метаболізуються в їх активні форми, які можуть зв’язуватися з рецепторами вітамінної відповіді та активувати шляхи передачі сигналів нижче. Прямий вплив вітамінів на сплайсинг пре-мРНК опосередковується активними метаболітами, а опосередкований вплив - окислювальним стресом у відповідь на авітаміноз. Більшість вітамінів, включаючи комплекс вітаміну В та вітамін С, регулюють альтернативне зрощування власних транспортерів та білків, що зв’язують вітаміни. Наприклад, 3 варіанти сплайсингу мет-синтази (залежно від вітаміну B-12) були виявлені в корі головного мозку людини (31). Вітаміни також можуть регулювати експресію сплайсингових факторів. Наприклад, показано, що дієта з дефіцитом вітаміну Е зменшує експресію факторів сплайсингу, таких як сплайсинг компонента 35 кДа (SC35) у печінці (32).

Вітамін D - ще один важливий модулятор сплайсингу пре-мРНК (37). Наприклад, у клітинах раку товстої кишки експресія різних варіантів сплайсингу ферментів, що метаболізують вітамін D, наприклад, цитохрому p450 24A (CYP24A), контролюється активною формою вітаміну, 1α, 25-дигідроксивітаміном D [1,25 ( ОН) 2D]. Запропоновано кілька механізмів регуляції сплайсингу пре-мРНК за допомогою вітаміну D. Наприклад, 1,25 (OH) 2D може зв'язуватися з рецептором вітаміну D (VDR) і поєднувати регуляцію транскрипції та обробки елемента відповіді на вітамін D. – Містять гени та пре-мРНК. Чжан та ін. (38) показали, що коактиватор ядерних рецепторів ядерних рецепторів VDR/білок, що взаємодіє з лижами (NCoA/SKIP), є компонентом сплайсосомного комплексу, і його залучення до VDR є важливим для залежно від вітаміну D подій сплайсингу. На додаток до своєї ролі в ракових клітинах, 1,25 (OH) 2D також опосередковує підвищену експресію варіанта короткого зрощення кальцієвого насоса плазматичної мембрани (PMCA) 1 в остеобластах (39).

Мінерали.

Багато транспортерів мінеральних іонів мають варіанти сплайсингу з відмінними функціями. Наприклад, було виявлено 3 варіанти сплайсингу котранспортера натрій/калій/хлорид (NKCC2), а дієта з низьким вмістом солі збільшує експресію високоафінної ізоформи NKCC2B у корі нирок (40). Інші приклади включають індуковані солею гіпертензію зміни в альтернативній схемі сплайсингу пре-мРНК для епітеліального натрієвого каналу (41), індуковані дієтичним йодидом зміни в експресії різних варіантів сплайсингу кишкового симпортера натрію/йодиду, що призводять до у підвищеній абсорбційній активності (42) та індукованих цинком змін у фосфорилюванні білка SR SRSF6, що призводять до змін у сплайсингу Bcl-2-взаємодіючого медіатора клітинної загибелі (Bim) пре-мРНК та модуляції апоптозу в клітинах нейробластоми (43).

Висновок

Наведені вище приклади демонструють, що поживні речовини можуть як безпосередньо, так і опосередковано впливати на експресію генів за допомогою модуляції альтернативного сплайсингу пре-мРНК. Такі події можуть змінити не тільки процеси, пов’язані з обміном поживних речовин, але й інші події, необхідні для гомеостазу клітин. Оскільки територія досі відносно невивчена, наявна інформація, ймовірно, є вершиною айсберга щодо контролю поживних речовин експресії генів. Однак, враховуючи те, що попередні мРНК, що кодують ключові регуляторні білки (наприклад, рецептори інсуліну, рецептори лептину тощо), пов'язані із такими захворюваннями, як ожиріння, зазнають важливих подій сплайсингу та досить обмежених білків механізмів сплайсингу, залучені глибокі дослідження вплив поживних речовин на регулювання установчих та альтернативних процесів сплайсингу, ймовірно, буде благодатною справою і може призвести до виявлення потенційних цілей для терапевтичного втручання.

Подяка

Ми вдячні доктору Леонарду Джефферсону за корисні коментарі під час підготовки рукопису. SR, RJS та SRK написали рукопис; SRK несла відповідальність за остаточний зміст. Усі автори прочитали та схвалили остаточну версію рукопису.

Виноски

6 Скорочення: AAR, амінокислотна відповідь; ATF3, активуючий фактор транскрипції 3; BIM, Bcl-2-взаємодіючий медіатор загибелі клітин; CYP24A, цитохром p450 24A; ЕР, ендоплазматичний ретикулум; FADS, десатураза жирних кислот; GIP, глюкозозалежний інсулінотропний поліпептид; GIPR, глюкозозалежний інсулінотропний поліпептидний рецептор; G6PD, глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа; hnRNP, гетерогенний ядерний рибонуклеопротеїн; IRE1α, що вимагає інозитол, сигнальний білок ER до ядра 1α; LCPUFA, довголанцюговий PUFA; NCoA/SKIP, коактиватор ядерних рецепторів/білок, що взаємодіє з лижами; NKCC2, котранспортер натрію/калію/хлориду; ORF, відкрита рамка для читання; ПКК, протеїнкіназа С; PMCA, кальцієвий насос з плазматичною мембраною; пре-мРНК, попередник мРНК; RA, ретиноева кислота; RAR, рецептор ретиноевої кислоти; РІДКИЙ, елемент реакції ретиноевої кислоти; SC35, сплайсинг 35 кДа; SF2/ASF, коефіцієнт сплайсингу 2/альтернативний фактор сплайсингу 1; snRNP, дрібні частинки ядерного рибонуклеопротеїну; Білок SR, багатий на серин/аргінін білок; SRSF, багатий на серин/аргінін фактор сплайсингу; UPR, розгорнута білкова реакція; VDR, рецептор вітаміну D; XBP1, білок, що зв’язує X-box, 1; 1,25 (OH) 2D, 1α, 25-дигідроксивітамін D.