Biogeneza in delovanje spliceosomske komponente U1

Uvod

Pri translaciji genetske informacije se mora RNA ustrezno modificirati. Zato mora biti prekurzorska sporočevalna RNA (pre-mRNA) deležna splicinga oz. spajanja eksonov. Splicing nadzira spliceosom, dinamičen ribonukleoproteinski kompleks sestavljen iz malih jedrnih RNA (snRNA) in vezanih proteinov. Prepozna ustrezna mesta med introni in eksoni, ki so običajno GU dinukleotidi na 5' koncih intronov in AG dinukleotidi na 3' koncih intronov. Človeški spliceosom je sestavljen iz petih majhnih ribonukleoproteinskih kompleksov: U1, U2, U4, U5 in U6. Ti se stopenjsko sestavijo na pre-mRNA. Slika 1A iz članka prikazuje sistem sestavljanja spliceosoma po intronskem modelu, kjer se snRNP kompleksi povezujejo čez introne. V transkriptih z dolgimi introni in kratkimi eksoni pa se spliceosom običajno sestavi po eksonskem modelu, kjer pride do vezave čez ekson. Tekom sestave spliceosoma 5‘ cepitveno mesto tvori intronski lariat, ki se sprosti s cepitvijo na 3’ cepitvenem mestu in eksoni se povežejo. Ti lariati niso nujno popolnoma razgrajeni temveč se lahko modificirajo v funkcionalno nekodirajočo RNA (ncRNA). To sta lahko majhna nukleolarna RNA (snoRNA) in mikro RNA (miRNA), ki imata regulatorno vlogo pri modifikacijah RNA in ekspresiji genov. U1 snRNP kompleks je med kompleksi spliceosoma najbolj številčen (1 milijon kopij na celico), ker je ključen za iniciacijo izrezovanja intronov in inhibicijo cepitve 3' konca ter poliadenilacije pre-mRNA. Njegova disfunkcija je bila povezana z rakom, nevrodegeneracijo in starostnimi boleznimi, kar poudarja njen biološki in klinični pomen.

Biogeneza U1 snRNP

Začetek sinteze je v jedru, kjer se gen RNU1-1 prepiše v pre-U1 snRNA, ki ima poleg osnovnega RNA ogrodja U1 komponente še 50 nukleotidov na 3' koncu. V Cajalovem telescu se nato sestavi eksportni kompleks, saj se mora pre-U1 snRNA prenesti v citosol za uspešno dodajanje Sm jedra, ki je ključni del funkcionalnega U1 snRNP. Eksportni kompleks se na takšno RNA veže s prepoznavo 7-metilgvanozinske kape (m7G kapa).

V citoplazmi eksportni kompleks ob vezavi U1-70K razpade in se s pomočjo SMN kompleksa, katerega ključni del je SMN (angl. survival motor neuron protein) doda Sm jedro. Pravilno sestavljeno Sm jedro prepozna eksonukleaza TOE1, ki odcepi končnih 50 nukleotidov na 3' koncu. Ta korak služi kot "kontrola kvalitete", saj lahko le do te točke pravilno sestavljeni snRNP nadaljujejo pot v procesu. Sledi hipermetilacija m7G kape v 2,2,7-trimetilgvanozinsko kapo (TMG kapo), ki poteče s pomočjo PRIP-interagirajočega proteina, ki ima metiltransferazno domeno.

Sm jedro in TMG kapa predstavljata jedrni lokalizacijski signal, na katerega se lahko veže jedrni importni kompleks, ki celotno snRNP prenese nazaj v jedro. Le-ta v jedru razpade, da se lahko na snRNP vežejo še U1-specifični proteini, kot sta U1-A in U1-C, ter potečejo še končne post-translacijske modifikacije. Tako je U1 snRNP pripravljena, da se z drugimi komponentami veže v spliceosom.

povezava do slike, ki opisuje proces (stran 4 v članku)

Določanje izrezovalnega mesta na daljavo

Glavni vzrok za bolezni kot so spinalna mišična atrofija (SMA), hemofilija B, cistična fibroza, fenilketonurija itd. je nepravilno izrezovanje intronov, kar posledično vodi do okrnjenih in nefunkcionalnih proteinov. Specifično pri teh boleznih prihaja do preskakovanja eksonov, ki v zrelo mRNA tako niso vključeni.

Spinalna mišična atrofija (SMA) in U1 snRNP

Človek ima v svojem genomu dva gena (SMN1 in SMN2) za protein SMN, ki sta nastala s podvajanjem in sta si torej dokaj podobna. Pri bolezni SMA pride do okvare gena SMN1, zato ne nastane funkcionalen protein SMN, ki je odgovoren za transkripcijo, translacijo, biogenezo U1 snRNP, RNA razmeščanje ... Odgovornost za slednji dve funkciji je glavni razlog za nastanek SMA. Ker je v genu SMN2 prisotna kritična mutacija, ki povzroči preskakovanje eksona 7 pri izrezovanju intronov, le-ta ne more nadomestiti gena SMN1, ko je le-ta okvarjen. Pri večini pacientov s SMA so namreč našli funkcionalen gen SMN2.

V raziskavah je bilo potrjeno, da lahko pravilno izrezovanje intronov in vključitev eksona 7 v zrelo mRNA izboljša uporaba umetnih eU1 (angl. engineered U1 snRNP), katerih 5' konci se zelo dobro prilegajo tarčnemu vezavnemu mestu na pre-mRNA. Zanimivo je, da se takšni eU1 ne vežejo nujno samo na 5' mesto izrezovanja (angl. 5' splice-site - 5'ss), ampak tudi navzgor in navzdol od tega mesta (v nekaterih primerih tudi do 100 nukleotidov stran). To pomeni, da je eU1 lahko definirala spoj med eksonom in intronom na daljavo. Pri takih primerih očitno ne velja več klasična definicija eksona na podlagi tega, da se U1 veže na 5'ss, U2 pa na 3'ss (definicija 3'ss analogna 5'ss). Torej moramo za razlaganje takšnega dogajanja uporabiti drugačno definicijo eksona – model določanja izrezovalnega mesta na daljavo.

Viri

1. Soares, E. S., Leal, C. B. Q. S., Sinatti, V. V. C., Bottós, R. M., & Zimmer, C. G. M. (2025). Role of the U1 snRNP Complex in Human Health and Disease. Wiley interdisciplinary reviews. RNA, 16(4), e70026. https://doi.org/10.1002/wrna.70026
2. Singh, R. N., & Singh, N. N. (2019). A novel role of U1 snRNP: Splice site selection from a distance. Biochimica et biophysica acta. Gene regulatory mechanisms, 1862(6), 634–642. https://doi.org/10.1016/j.bbagrm.2019.04.004
3. Lorson, C. L., Rindt, H., & Shababi, M. (2010). Spinal muscular atrophy: mechanisms and therapeutic strategies. Human molecular genetics, 19(R1), R111–R118. https://doi.org/10.1093/hmg/ddq147
4.
5.