Изоформа белка
Изоформа белка , или « вариант белка », [1] является членом набора очень похожих белков , которые происходят из одного гена или семейства генов и являются результатом генетических различий. [2] Хотя многие изоформы выполняют одинаковые или схожие биологические роли, некоторые изоформы обладают уникальными функциями. Набор изоформ белка может быть образован путем альтернативного сплайсинга , использования вариабельного промотора или других посттранскрипционных модификаций одного гена; посттрансляционные модификации обычно не учитываются. (Об этом см. «Протеоформы ».) Благодаря сплайсинга РНК механизмам мРНК обладает способностью выбирать разные сегменты, кодирующие белок ( экзоны ) гена, или даже разные части экзонов РНК для формирования разных последовательностей мРНК. Каждая уникальная последовательность производит определенную форму белка.
Открытие изоформ могло бы объяснить несоответствие между небольшим количеством белково-кодирующих областей генов, выявленных в рамках проекта генома человека , и большим разнообразием белков, наблюдаемых в организме: разные белки, кодируемые одним и тем же геном, могут увеличить разнообразие протеома . Изоформы на уровне РНК легко охарактеризовать с помощью исследований транскриптов кДНК . Многие человеческие гены обладают подтвержденными альтернативными изоформами сплайсинга. Было подсчитано, что около 100 000 меток экспрессируемых последовательностей ( EST ). у людей можно идентифицировать [1] Изоформы на уровне белка могут проявляться в делеции целых доменов или более коротких петель, обычно расположенных на поверхности белка. [3]
Определение
[ редактировать ]Один-единственный ген способен производить множество белков, различающихся как по структуре, так и по составу; [4] [5] этот процесс регулируется альтернативным сплайсингом мРНК, хотя неясно, в какой степени такой процесс влияет на разнообразие протеома человека, поскольку обилие изоформ транскриптов мРНК не обязательно коррелирует с обилием изоформ белка. [6] Трехмерное сравнение структуры белков можно использовать, чтобы определить, какие изоформы (если таковые имеются) представляют собой функциональные белковые продукты, а структура большинства изоформ в протеоме человека была предсказана AlphaFold и публично опубликована на isoform.io . [7] Специфичность транслируемых изоформ определяется структурой/функцией белка, а также типом клеток и стадией развития, на которой они производятся. [4] [5] Определение специфичности становится более сложным, если белок имеет несколько субъединиц и каждая субъединица имеет несколько изоформ.
Например, 5'-АМФ-активируемая протеинкиназа (АМРК), фермент, выполняющий различные роли в клетках человека, имеет 3 субъединицы: [8]
- α, каталитический домен, имеет две изоформы: α1 и α2, которые кодируются PRKAA1 и PRKAA2.
- β, регуляторный домен, имеет две изоформы: β1 и β2, которые кодируются PRKAB1 и PRKAB2.
- γ, регуляторный домен, имеет три изоформы: γ1, γ2 и γ3, которые кодируются PRKAG1 , PRKAG2 и PRKAG3.
В скелетных мышцах человека предпочтительной формой является α2β2γ1. [8] Но в печени человека наиболее распространена форма α1β2γ1. [8]
Механизм
[ редактировать ]
Основными механизмами производства изоформ белка являются альтернативный сплайсинг и использование вариабельных промоторов, хотя модификации, вызванные генетическими изменениями, такими как мутации и полиморфизмы , иногда также считаются отдельными изоформами. [9]
Альтернативный сплайсинг — это основной процесс посттранскрипционной модификации , в результате которого образуются изоформы транскриптов мРНК, и основной молекулярный механизм, который может способствовать разнообразию белков. [5] Сплайсосома , , большой рибонуклеопротеин , представляет собой молекулярную машину внутри ядра, ответственную за расщепление и лигирование РНК удаляя некодирующие белки сегменты ( интроны ). [10]
Поскольку сплайсинг — это процесс, который происходит между транскрипцией и трансляцией , его основные эффекты в основном изучались с помощью методов геномики — например, анализ микрочипов и секвенирование РНК использовались для идентификации альтернативно сплайсированных транскриптов и измерения их численности. [9] Обилие транскриптов часто используется в качестве показателя обилия изоформ белка, хотя эксперименты по протеомике с использованием гель-электрофореза и масс-спектрометрии продемонстрировали, что корреляция между количеством транскриптов и белков часто низкая и что одна изоформа белка обычно является доминантной. [11] В одном исследовании 2015 года говорится, что причина этого несоответствия, вероятно, возникает после перевода, хотя механизм практически неизвестен. [12] Следовательно, хотя альтернативный сплайсинг считается важным связующим звеном между изменчивостью и заболеванием, нет убедительных доказательств того, что он действует главным образом путем производства новых изоформ белка. [11]
Альтернативный сплайсинг обычно описывает строго регулируемый процесс, в котором альтернативные транскрипты намеренно генерируются с помощью механизма сплайсинга. Однако такие транскрипты также производятся в результате ошибок сплайсинга в процессе, называемом «шумным сплайсингом», и также потенциально транслируются в изоформы белка. Хотя считается, что около 95% мультиэкзонных генов подвергаются альтернативному сплайсингу, одно исследование шумного сплайсинга показало, что большинство различных транскриптов с низкой распространенностью являются шумом, и предсказывает, что большинство альтернативных транскриптов и изоформ белков, присутствующих в клетке, функционально не являются соответствующий. [13]
Другие этапы транскрипционной и посттранскрипционной регуляции также могут производить различные изоформы белка. [14] Использование вариабельного промотора происходит, когда транскрипционный аппарат клетки ( РНК-полимераза , факторы транскрипции и другие ферменты ) начинает транскрипцию на разных промоторах (участке ДНК рядом с геном, который служит начальным сайтом связывания), что приводит к слегка измененным транскриптам и белку. изоформы.
Характеристики
[ редактировать ]Обычно одна изоформа белка помечается как каноническая последовательность на основании таких критериев, как ее распространенность и сходство с ортологичными или функционально аналогичными последовательностями у других видов. [15] Предполагается, что изоформы обладают сходными функциональными свойствами, поскольку большинство из них имеют схожие последовательности и имеют некоторые или большинство общих экзонов с канонической последовательностью. Однако некоторые изоформы демонстрируют гораздо большую дивергенцию (например, за счет транс-сплайсинга ) и могут иметь мало общих экзонов с канонической последовательностью или вообще не иметь их. Кроме того, они могут иметь разные биологические эффекты (например, в крайнем случае функция одной изоформы может способствовать выживанию клеток, а другой — гибели клеток) или могут иметь схожие основные функции, но различаться внутриклеточной локализацией. [16] Однако исследование 2016 года функционально охарактеризовало все изоформы 1492 генов и определило, что большинство изоформ ведут себя как «функциональные аллоформы». Авторы пришли к выводу, что изоформы ведут себя как отдельные белки, после того, как заметили, что функциональные возможности большинства изоформ не перекрываются. [17] Поскольку исследование проводилось на клетках in vitro , неизвестно, обладают ли изоформы в экспрессированном протеоме человека этими характеристиками. Кроме того, поскольку функцию каждой изоформы обычно необходимо определять отдельно, большинство идентифицированных и предсказанных изоформ все еще имеют неизвестные функции.
Связанные понятия
[ редактировать ]гликоформ
[ редактировать ]Гликоформа — это изоформа белка, которая отличается только количеством или типом присоединенного гликана . Гликопротеины часто состоят из ряда различных гликоформ с изменениями в присоединенном сахариде или олигосахариде . Эти модификации могут быть результатом различий в биосинтезе в процессе гликозилирования или вследствие действия гликозидаз или гликозилтрансфераз . Гликоформы можно обнаружить посредством детального химического анализа разделенных гликоформ, но удобнее обнаруживать их посредством дифференциальной реакции с лектинами , как, например, с помощью лектиновой аффинной хроматографии и лектинового аффинного электрофореза . Типичными примерами гликопротеинов, состоящих из гликоформ, являются крови оросомукоид белки , антитрипсин и гаптоглобин . Необычная вариация гликоформ наблюдается в молекуле адгезии нейрональных клеток, NCAM, включающей полисиаловые кислоты, PSA .
Примеры
[ редактировать ]- G-актин : несмотря на свою консервативную природу, он имеет различное количество изоформ (не менее шести у млекопитающих).
- Креатинкиназа , наличие которой в крови может быть использовано как вспомогательное средство при диагностике инфаркта миокарда , существует в 3 изоформах.
- Гиалуронансинтаза , фермент, ответственный за выработку гиалуронана, имеет в клетках млекопитающих три изоформы.
- УДФ-глюкуронозилтрансфераза , суперсемейство ферментов, ответственное за путь детоксикации многих лекарств, загрязнителей окружающей среды и токсичных эндогенных соединений, имеет 16 известных изоформ, закодированных в геноме человека. [18]
- G6PDA: нормальное соотношение активных изоформ в клетках любой ткани составляет 1:1, как и у G6PDG. Именно это и есть нормальное соотношение изоформ при гиперплазии. При неоплазии обнаруживается только одна из этих изоформ. [19]
Моноаминоксидаза , семейство ферментов, катализирующих окисление моноаминов, существует в двух изоформах: МАО-А и МАО-В.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Бретт Д., Поспишил Х., Валькарсель Дж., Райх Дж., Борк П. (январь 2002 г.). «Альтернативный сплайсинг и сложность генома». Природная генетика . 30 (1): 29–30. дои : 10.1038/ng803 . ПМИД 11743582 . S2CID 2724843 .
- ^ Шлютер Х., Апвайлер Р., Хольцхюттер Х.Г., Юнгблут П.Р. (сентябрь 2009 г.). «Освоение протеомики: номенклатура видов белков» . Центральный химический журнал . 3:11 . дои : 10.1186/1752-153X-3-11 . ПМЦ 2758878 . ПМИД 19740416 .
- ^ Козловский, Л.; Орловский Дж.; Буйницкий, Дж. М. (2012). «Прогнозирование структуры альтернативно сплайсированных белков». Альтернативный сплайсинг пре-мРНК . п. 582. дои : 10.1002/9783527636778.ch54 . ISBN 9783527636778 .
- ^ Jump up to: а б Андреадис А., Гальего М.Э., Надаль-Жинар Б. (1 января 1987 г.). «Поколение разнообразия изоформ белка путем альтернативного сплайсинга: механистическое и биологическое значение». Ежегодный обзор клеточной биологии . 3 (1): 207–42. дои : 10.1146/annurev.cb.03.110187.001231 . ПМИД 2891362 .
- ^ Jump up to: а б с Брейтбарт Р.Э., Андреадис А., Надаль-Жинар Б. (1 января 1987 г.). «Альтернативный сплайсинг: повсеместный механизм создания множества изоформ белка из отдельных генов». Ежегодный обзор биохимии . 56 (1): 467–95. дои : 10.1146/annurev.bi.56.070187.002343 . ПМИД 3304142 .
- ^ Лю Ю, Бейер А, Эберсольд Р (апрель 2016 г.). «О зависимости уровня клеточного белка от содержания мРНК» . Клетка . 165 (3): 535–50. дои : 10.1016/j.cell.2016.03.014 . hdl : 20.500.11850/116226 . ПМИД 27104977 .
- ^ Соммер, Маркус Дж.; Ча, Суён; Варабьев, Алесь; Ринкон, Наталья; Парк, Сукхван; Минкин, Илья; Пертеа, Михаэла; Штайнеггер, Мартин; Зальцберг, Стивен Л. (15 декабря 2022 г.). «Идентификация изоформ транскриптома человека на основе структуры» . электронная жизнь . 11 : е82556. doi : 10.7554/eLife.82556 . ПМЦ 9812405 . ПМИД 36519529 .
- ^ Jump up to: а б с Дасгупта Б., Чипа Р.Р. (март 2016 г.). «Развивающиеся уроки о сложной роли AMPK в нормальной физиологии и раке» . Тенденции в фармакологических науках . 37 (3): 192–206. дои : 10.1016/j.tips.2015.11.007 . ПМЦ 4764394 . ПМИД 26711141 .
- ^ Jump up to: а б Корнблихтт А.Р., Шор И.Е., Алло М., Дюжарден Г., Петрилло Э., Муньос М.Дж. (март 2013 г.). «Альтернативный сплайсинг: ключевой шаг между эукариотической транскрипцией и трансляцией». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 14 (3): 153–65. дои : 10.1038/nrm3525 . hdl : 11336/21049 . ПМИД 23385723 . S2CID 54560052 .
- ^ Ли Ю, Рио, округ Колумбия (01 января 2015 г.). «Механизмы и регуляция альтернативного сплайсинга пре-мРНК» . Ежегодный обзор биохимии . 84 (1): 291–323. doi : 10.1146/annurev-biochem-060614-034316 . ПМЦ 4526142 . ПМИД 25784052 .
- ^ Jump up to: а б Тресс МЛ, Абаскаль Ф, Валенсия А (февраль 2017 г.). «Альтернативный сплайсинг не может быть ключом к сложности протеома» . Тенденции биохимических наук . 42 (2): 98–110. дои : 10.1016/j.tibs.2016.08.008 . ПМК 6526280 . ПМИД 27712956 .
- ^ Батл А, Хан З, Ван Ш., Митрано А, Форд М.Дж., Притчард Дж.К., Гилад Ю. (февраль 2015 г.). «Геномная изменчивость. Влияние регуляторных вариаций от РНК к белку» . Наука . 347 (6222): 664–7. дои : 10.1126/science.1260793 . ПМК 4507520 . ПМИД 25657249 .
- ^ Пикрелл Дж.К., Пай А.А., Гилад Ю., Притчард Дж.К. (декабрь 2010 г.). «Шумный сплайсинг стимулирует разнообразие изоформ мРНК в клетках человека» . ПЛОС Генетика . 6 (12): e1001236. дои : 10.1371/journal.pgen.1001236 . ПМЦ 3000347 . ПМИД 21151575 .
- ^ Смит Л.М., Келлехер Н.Л. (март 2013 г.). «Протеоформа: один термин, описывающий сложность белка» . Природные методы . 10 (3): 186–7. дои : 10.1038/nmeth.2369 . ПМК 4114032 . ПМИД 23443629 .
- ^ Ли Х.Д., Менон Р., Оменн Г.С., Гуань Ю (декабрь 2014 г.). «Возврат к идентификации канонических изоформ сплайсинга посредством интеграции данных функциональной геномики и протеомики» (PDF) . Протеомика . 14 (23–24): 2709–18. дои : 10.1002/pmic.201400170 . ПМЦ 4372202 . ПМИД 25265570 .
- ^ Сундвалл М., Вейкколайнен В., Курппа К., Салах З., Творогов Д., ван Зоелен Э.Дж., Акейлан Р., Элениус К. (декабрь 2010 г.). «Гибель или выживание клеток, чему способствуют альтернативные изоформы ErbB4» . Молекулярная биология клетки . 21 (23): 4275–86. doi : 10.1091/mbc.E10-04-0332 . ПМЦ 2993754 . ПМИД 20943952 .
- ^ Ян X, Куломб-Хантингтон Дж., Канг С., Шейнкман Г.М., Хао Т., Ричардсон А. и др. (февраль 2016 г.). «Широкое расширение возможностей взаимодействия белков путем альтернативного сплайсинга» . Клетка . 164 (4): 805–17. дои : 10.1016/j.cell.2016.01.029 . ПМЦ 4882190 . ПМИД 26871637 .
- ^ Барре Л., Фурнель-Жигле С., Финель М., Неттер П., Магдалу Дж., Уззин М. (март 2007 г.). «Субстратная специфичность человеческих UDP-глюкуронозилтрансфераз UGT2B4 и UGT2B7. Идентификация критического остатка ароматической аминокислоты в положении 33» . Журнал ФЭБС . 274 (5): 1256–64. дои : 10.1111/j.1742-4658.2007.05670.x . ПМИД 17263731 .
- ^ Патома, Основы патологии
Внешние ссылки
[ редактировать ]