Смысл (молекулярная биология)

В молекулярной биологии и генетике смысл , относится молекулы нуклеиновой кислоты , особенно цепи ДНК или РНК к природе роли цепи и ее комплемента в определении последовательности аминокислот . ^{[ нужна ссылка ]} В зависимости от контекста смысл может иметь несколько разные значения. Например, цепь ДНК с отрицательным смыслом эквивалентна цепи матрицы, тогда как цепь с положительным смыслом представляет собой нематрицную цепь, нуклеотидная последовательность которой эквивалентна последовательности транскрипта мРНК .

смысл ДНК

Из-за комплементарной природы спаривания оснований между полимерами нуклеиновых кислот двухцепочечная молекула ДНК будет состоять из двух цепей с последовательностями, которые обратно комплементарны друг другу. Чтобы помочь молекулярным биологам точно идентифицировать каждую цепь индивидуально, две цепи обычно различают как «смысловую» цепь и «антисмысловую» цепь. Отдельная цепь ДНК называется положительно-смысловой (также положительной (+) или просто смысловой ), если ее нуклеотидная последовательность непосредственно соответствует последовательности транскрипта РНК , который транслируется или транслируется в последовательность аминокислот (при условии, что любая основания тимина в последовательности ДНК заменяются основаниями урацила в последовательности РНК). Другая цепь двухцепочечной молекулы ДНК называется отрицательно-смысловой (также отрицательной (-) или антисмысловой ) и обратно комплементарна как положительной смысловой цепи, так и транскрипту РНК. На самом деле именно антисмысловая цепь используется в качестве матрицы, из которой РНК-полимеразы конструируют транскрипт РНК, но комплементарное спаривание оснований, посредством которого происходит полимеризация нуклеиновой кислоты, означает, что последовательность транскрипта РНК будет выглядеть идентично положительной смысловой цепи, за исключением использования в транскрипте РНК урацила вместо тимина.

Иногда фразы, кодирующие цепь и матричную цепь, встречаются вместо смыслового и антисмыслового соответственно, и в контексте двухцепочечной молекулы ДНК использование этих терминов по существу эквивалентно. Однако кодирующая/смысловая цепь не всегда должна содержать код, используемый для образования белка; как кодирующие белок, так и некодирующие РНК Транскрибироваться могут .

Термины «смысловой» и «антисмысловой» относятся только к конкретному рассматриваемому транскрипту РНК, а не к цепи ДНК в целом. Другими словами, любая цепь ДНК может служить смысловой или антисмысловой цепью. Большинство организмов с достаточно большими геномами используют обе цепи, причем каждая цепь действует как матричная цепь для разных транскриптов РНК в разных местах одной и той же молекулы ДНК. В некоторых случаях транскрипты РНК могут транскрибироваться в обоих направлениях (т.е. на любой цепи) из общей области промотора или транскрибироваться изнутри интронов на любой цепи (см. «амбисенс» ниже). ^[1]^[2]^[3]

Смысловая ДНК

Смысловая цепь ДНК выглядит как транскрипт информационной РНК (мРНК) и, следовательно, может использоваться для чтения ожидаемой последовательности кодонов , которая в конечном итоге будет использоваться во время трансляции (синтеза белка) для построения аминокислотной последовательности, а затем и белка. Например, последовательность «ATG» в смысловой цепи ДНК соответствует кодону «AUG» в мРНК, который кодирует аминокислоту метионин . Однако сама смысловая цепь ДНК не используется в качестве матрицы для мРНК; именно антисмысловая цепь ДНК служит источником белкового кода, поскольку благодаря основаниям, комплементарным смысловой цепи ДНК, она используется в качестве матрицы для мРНК. Поскольку в результате транскрипции образуется продукт РНК, комплементарный цепи матрицы ДНК, мРНК комплементарна антисмысловой цепи ДНК.

Следовательно, триплет оснований 3'-TAC-5' в антисмысловой цепи ДНК (комплементарный 5'-ATG-3' смысловой цепи ДНК) используется в качестве матрицы, что приводит к образованию 5'-AUG-3' триплет оснований мРНК. Смысловая цепь ДНК будет иметь триплет ATG, который похож на триплет мРНК AUG, но не будет использоваться для образования метионина, поскольку он не будет использоваться непосредственно для создания мРНК. Смысловая цепь ДНК называется «смысловой» цепью не потому, что она будет использоваться для образования белка (это не так), а потому, что ее последовательность напрямую соответствует последовательности кодонов РНК. Следуя этой логике, сам транскрипт РНК иногда называют «смысловым».

Пример с двухцепочечной ДНК

Нить ДНК 1: антисмысловая цепь (транскрибируется) → цепь РНК (смысловая).

Нить ДНК 2: смысловая цепь

Некоторые области внутри двухцепочечной молекулы ДНК кодируют гены , которые обычно представляют собой инструкции, определяющие порядок сборки аминокислот для образования белков, а также регуляторные последовательности, сайты сплайсинга , некодирующие интроны и другие генные продукты . Чтобы клетка могла использовать эту информацию, одна цепь ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи РНК . Транскрибируемая цепь ДНК с антисмысловой последовательностью называется матричной цепью, а полученный из нее транскрипт мРНК называется смысловой последовательностью (дополняющей антисмысловую последовательность). Говорят, что нетранскрибируемая цепь ДНК, комплементарная транскрибируемой цепи, имеет смысловую последовательность; он имеет ту же смысловую последовательность, что и транскрипт мРНК (хотя основания Т в ДНК заменены основаниями U в РНК).

`3′CGCTATAGCGTTT 5′`	Антисмысловая цепь ДНК (матрица/некодирующая)	Используется как шаблон для транскрипции.
`5′GCGATATCGCAAA 3′`	Смысловая цепь ДНК (нематрица/кодирующая)	Дополняет шаблонную прядь.
`5′GCGAUAUCGCAAA 3′`	Смысловой транскрипт мРНК	Цепь РНК, которая транскрибируется с некодирующей (матрицы/антисмысловой) цепи. Примечание ¹: За исключением того, что все тимины теперь урацилы( `T → U`), он комплементарен некодирующей (матрице/антисмысловой) цепи ДНК и идентичен кодирующей (нематрице/смысловой) цепи ДНК.
`3′CGCUAUAGCGUUU 5′`	Антисмысловой транскрипт мРНК	Цепь РНК, которая транскрибируется с кодирующей (нематрицной/смысловой) цепи. Примечание. За исключением того, что все тимины теперь являются урацилами ( `T → U`), он комплементарен кодирующей (нематрицной/смысловой) цепи ДНК и идентичен некодирующей (матрице/антисмысловой) цепи ДНК.

Имена, присвоенные каждой цепи, на самом деле зависят от того, в каком направлении вы пишете последовательность, содержащую информацию о белках («смысловая» информация), а не от того, какая цепь изображена «сверху» или «снизу» (что является произвольным). Единственная биологическая информация, которая важна для маркировки цепей, - это относительное расположение концевой 5'-фосфатной группы и концевой 3'-гидроксильной группы (на концах рассматриваемой цепи или последовательности), поскольку эти концы определяют направление транскрипции и перевод. Последовательность, записанная 5'-CGCTAT-3', эквивалентна последовательности, записанной 3'-TATCGC-5', при условии, что отмечены 5'- и 3'-концы. Если концы не помечены, принято считать, что обе последовательности записаны в направлении от 5’ к 3’. «Ничь Ватсона» относится к верхней нити от 5’ до 3’ (5’→3’), тогда как «цепь Крика» относится к нижней нити от 5’ до 3’ (3’ ←5’). ^[4] Нити Уотсона и Крика могут быть как смысловыми, так и антисмысловыми цепями в зависимости от конкретного генного продукта, полученного из них.

Например, обозначение «YEL021W», псевдоним гена URA3, используемый в базе данных Национального центра биотехнологической информации (NCBI), означает, что этот ген находится в 21-й открытой рамке считывания (ORF) центромеры левой руки ( L) дрожжевой (Y) хромосомы номер V (E) и что цепь, кодирующая экспрессию, представляет собой цепь Ватсона (W). «YKL074C» обозначает 74-ю ORF слева от центромеры хромосомы XI и что кодирующей цепью является цепь Крика (C). Также широко используется другой запутанный термин, обозначающий «Плюс» и «Минус». Независимо от того, является ли цепь смысловой (положительной) или антисмысловой (отрицательной), последовательность запроса по умолчанию при выравнивании NCBI BLAST — это «Плюсовая» цепь.

Амбисенс

Одноцепочечный геном, который используется как в положительном, так и в отрицательном смысле, называется амбисенсом . Некоторые вирусы имеют двойственные геномы. Буньявирусы имеют три фрагмента одноцепочечной РНК (оцРНК), некоторые из них содержат участки как с положительным, так и с отрицательным смыслом; аренавирусы также представляют собой оцРНК-вирусы с амбисенсным геномом, поскольку они имеют три фрагмента, которые в основном имеют отрицательный смысл, за исключением части 5'-концов большого и малого сегментов их генома.

Антисмысловая РНК

Последовательность РНК, комплементарную эндогенному транскрипту мРНК, иногда называют « антисмысловой РНК ». Другими словами, это некодирующая цепь, комплементарная кодирующей последовательности РНК; это похоже на вирусную РНК с отрицательным смыслом. Когда мРНК образует дуплекс с комплементарной антисмысловой последовательностью РНК, трансляция блокируется. Этот процесс связан с интерференцией РНК . Клетки могут естественным образом вырабатывать антисмысловые молекулы РНК, называемые микроРНК , которые взаимодействуют с комплементарными молекулами мРНК и ингибируют их экспрессию . Эта концепция также использовалась в качестве метода молекулярной биологии путем искусственного введения трансгена, кодирующего антисмысловую РНК, с целью блокирования экспрессии интересующего гена. Радиоактивно или флуоресцентно меченная антисмысловая РНК может использоваться для определения уровня транскрипции генов в различных типах клеток.

Некоторые альтернативные антисмысловые структурные типы были экспериментально применены в качестве антисмысловой терапии . В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило фосфоротиоатные антисмысловые олигонуклеотиды фомивирсен (Витравен). ^[5] и мипомерсен (Кинамро) ^[6] для терапевтического использования человеком.

Смысл РНК в вирусах

В вирусологии термин «смысл» имеет несколько иное значение. геном РНК-вируса Можно сказать, что имеет либо положительный смысл , также известный как «плюс-цепь», либо отрицательный смысл , также известный как «минус-цепь». В большинстве случаев термины «смысл» и «цепь» используются как взаимозаменяемые, в результате чего такие термины, как «положительная цепь», эквивалентны «положительному смыслу», а «плюсовая цепь» эквивалентны «плюсовому смыслу». Независимо от того, является ли вирусный геном положительным или отрицательным, можно использовать в качестве основы для классификации вирусов.

Позитивный смысл

Вирусная РНК с положительным смыслом ( 5'- к- 3' ) означает, что конкретная последовательность вирусной РНК может быть непосредственно транслирована в вирусные белки (например, те, которые необходимы для репликации вируса). Следовательно, в вирусах с РНК с положительным смыслом геном вирусной РНК можно считать вирусной мРНК и может быть немедленно транслирован клеткой-хозяином. В отличие от РНК с отрицательным смыслом, РНК с положительным смыслом имеет тот же смысл, что и мРНК. Некоторые вирусы (например, Coronaviridae ) имеют геномы с положительным смыслом, которые могут действовать как мРНК и использоваться непосредственно для синтеза белков без помощи комплементарного промежуточного РНК. По этой причине этим вирусам не требуется наличие РНК-полимеразы, упакованной в вирион — РНК-полимераза будет одним из первых белков, вырабатываемых клеткой-хозяином, поскольку она необходима для репликации генома вируса.

Отрицательный смысл

Вирусная РНК с отрицательным смыслом (от 3' до 5') комплементарна вирусной мРНК, поэтому с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы перед трансляцией из нее должна быть продуцирована РНК с положительным смыслом. Как и ДНК, РНК с отрицательным смыслом имеет нуклеотидную последовательность, комплементарную мРНК, которую она кодирует; Как и ДНК, эта РНК не может быть транслирована в белок напрямую. Вместо этого его сначала необходимо транскрибировать в РНК с положительным смыслом, которая действует как мРНК. Некоторые вирусы (например, вирусы гриппа ) имеют геномы с отрицательным смыслом и поэтому должны нести РНК-полимеразу внутри вириона.

Антисмысловые олигонуклеотиды

Сайленсинга генов можно добиться путем введения в клетки короткого «антисмыслового олигонуклеотида», комплементарного РНК-мишени. Этот эксперимент впервые был проведен Замечником и Стефенсоном в 1978 году. ^[7] и продолжает оставаться полезным подходом как для лабораторных экспериментов, так и потенциально для клинического применения ( антисмысловая терапия ). ^[8] Некоторые вирусы, такие как вирусы гриппа ^[9]^[10]^[11]^[12] Респираторно-синцитиальный вирус (РСВ) ^[9] и коронавирус SARS (SARS-CoV), ^[9] были направлены на использование антисмысловых олигонуклеотидов для ингибирования их репликации в клетках-хозяевах.

Если антисмысловой олигонуклеотид содержит участок ДНК или миметик ДНК (фосфоротиоатная ДНК, 2'F-ANA или другие), он может задействовать РНКазу H для разрушения целевой РНК. Это делает механизм молчания генов каталитическим. Двухцепочечная РНК также может действовать как каталитический фермент-зависимый антисмысловой агент через путь РНКи / миРНК , включающий распознавание целевой мРНК посредством спаривания смысловой и антисмысловой цепи с последующей деградацией целевой мРНК с помощью РНК-индуцированного комплекса молчания (RISC). R1 Плазмидная система hok/sok представляет собой еще один пример фермент-зависимого процесса антисмысловой регуляции посредством ферментативной деградации образующегося РНК-дуплекса.

Другие антисмысловые механизмы не являются фермент-зависимыми, но включают стерическое блокирование РНК-мишени (например, для предотвращения трансляции или для индукции альтернативного сплайсинга). В механизмах стерической блокировки антисмысловых механизмов часто используются сильно модифицированные олигонуклеотиды. Поскольку нет необходимости в распознавании РНКазы H, это может включать такие химические соединения, как 2'-O-алкил, пептидно-нуклеиновая кислота (PNA), заблокированная нуклеиновая кислота (LNA) и морфолино олигомеры .

См. также

Ссылки

^ Анн-Лизе Хэнни (2003). «Стратегии экспрессии амбисенс-вирусов». Вирусные исследования . 93 (2): 141–150. дои : 10.1016/S0168-1702(03)00094-7 . ПМИД 12782362 .
^ Какутани Т; Хаяно Ю; Хаяши Т; Минобе Ю. (1991). «Сегмент 3 амбисенса вируса рисовой полоски: первый экземпляр вируса, содержащего два сегмента амбисенса» . Джей Ген Вирол . 72 (2): 465–8. дои : 10.1099/0022-1317-72-2-465 . ПМИД 1993885 .
^ Чжу Ю; Хаякава Т; Торияма С; Такахаси М. (1991). «Полная нуклеотидная последовательность РНК 3 вируса полосатости риса: стратегия амбисенсного кодирования» . Джей Ген Вирол . 72 (4): 763–7. дои : 10.1099/0022-1317-72-4-763 . ПМИД 2016591 .
^ Картрайт, Рид; Дэн Граур (8 февраля 2011 г.). «Множественные личности Уотсона и Крика» . Биология Директ . 6 :7. дои : 10.1186/1745-6150-6-7 . ПМК 3055211 . ПМИД 21303550 .
^ «FDA одобрило фомивирсен для лечения ЦМВ» . привет . 1 октября 1998 года . Проверено 18 сентября 2020 г.
^ «FDA одобрило орфанный препарат для лечения наследственного холестерина» . Темы о наркотиках . 30 января 2013 года . Проверено 18 сентября 2020 г.
^ Замечник, ПК; Стивенсон, ML (1978). «Ингибирование репликации вируса саркомы Рауса и трансформации клеток специфическим олигодезоксинуклеотидом» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 75 (1): 280–284. Бибкод : 1978PNAS...75..280Z . дои : 10.1073/pnas.75.1.280 . ПМК 411230 . ПМИД 75545 .
^ Уоттс, Дж. К.; Кори, ДР (2012). «Заглушение генов болезней в лаборатории и клинике» . Дж. Патол . 226 (2): 365–379. дои : 10.1002/путь.2993 . ПМЦ 3916955 . ПМИД 22069063 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кумар, Бинод; Кханна, Мадху; Месеко, Клемент А.; Саникас, Мелвин; Кумар, Прашант; Аша, Кумари; Аша, Кумари; Кумар, Прашант; Саникас, Мелвин (январь 2019 г.). «Достижения в области терапии на основе нуклеиновых кислот против респираторных вирусных инфекций» . Журнал клинической медицины . 8 (1): 6. дои : 10.3390/jcm8010006 . ПМК 6351902 . ПМИД 30577479 .
^ Кумар, Бинод; Аша, Кумари; Кханна, Мадху; Ронсар, Ларанс; Месеко, Клемент Адебахо; Саникас, Мелвин (10 января 2018 г.). «Новая угроза вируса гриппа: состояние и новые перспективы его терапии и контроля» . Архив вирусологии . 163 (4): 831–844. дои : 10.1007/s00705-018-3708-y . ISSN 0304-8608 . ПМК 7087104 . ПМИД 29322273 .
^ Кумар, Прашант; Кумар, Бинод; Раджпут, Рупали; Саксена, Латика; Банерджиа, Ахил К.; Кханна, Мадху (2 июня 2013 г.). «Перекрестный защитный эффект антисмыслового олигонуклеотида, разработанного против обычного 3'-NCR генома вируса гриппа А». Молекулярная биотехнология . 55 (3): 203–211. дои : 10.1007/s12033-013-9670-8 . ISSN 1073-6085 . ПМИД 23729285 . S2CID 24496875 .
^ Кумар, Б.; Кханна, Мадху; Кумар, П.; Суд, В.; Вьяс, Р.; Банерджеа, АК (9 июля 2011 г.). «Опосредованное нуклеиновой кислотой расщепление гена М1 вируса гриппа А значительно усиливается антисмысловыми молекулами, нацеленными на гибридизацию вблизи места расщепления». Молекулярная биотехнология . 51 (1): 27–36. дои : 10.1007/s12033-011-9437-z . ISSN 1073-6085 . ПМИД 21744034 . S2CID 45686564 .

[1] Анн-Лизе Хэнни (2003). «Стратегии экспрессии амбисенс-вирусов». Вирусные исследования . 93 (2): 141–150. дои : 10.1016/S0168-1702(03)00094-7 . ПМИД 12782362 .

[2] Какутани Т; Хаяно Ю; Хаяши Т; Минобе Ю. (1991). «Сегмент 3 амбисенса вируса рисовой полоски: первый экземпляр вируса, содержащего два сегмента амбисенса» . Джей Ген Вирол . 72 (2): 465–8. дои : 10.1099/0022-1317-72-2-465 . ПМИД 1993885 .

[3] Чжу Ю; Хаякава Т; Торияма С; Такахаси М. (1991). «Полная нуклеотидная последовательность РНК 3 вируса полосатости риса: стратегия амбисенсного кодирования» . Джей Ген Вирол . 72 (4): 763–7. дои : 10.1099/0022-1317-72-4-763 . ПМИД 2016591 .

[4] Картрайт, Рид; Дэн Граур (8 февраля 2011 г.). «Множественные личности Уотсона и Крика» . Биология Директ . 6 :7. дои : 10.1186/1745-6150-6-7 . ПМК 3055211 . ПМИД 21303550 .

[5] «FDA одобрило фомивирсен для лечения ЦМВ» . привет . 1 октября 1998 года . Проверено 18 сентября 2020 г.

[6] «FDA одобрило орфанный препарат для лечения наследственного холестерина» . Темы о наркотиках . 30 января 2013 года . Проверено 18 сентября 2020 г.

[7] Замечник, ПК; Стивенсон, ML (1978). «Ингибирование репликации вируса саркомы Рауса и трансформации клеток специфическим олигодезоксинуклеотидом» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 75 (1): 280–284. Бибкод : 1978PNAS...75..280Z . дои : 10.1073/pnas.75.1.280 . ПМК 411230 . ПМИД 75545 .

[8] Уоттс, Дж. К.; Кори, ДР (2012). «Заглушение генов болезней в лаборатории и клинике» . Дж. Патол . 226 (2): 365–379. дои : 10.1002/путь.2993 . ПМЦ 3916955 . ПМИД 22069063 .

[:0-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кумар, Бинод; Кханна, Мадху; Месеко, Клемент А.; Саникас, Мелвин; Кумар, Прашант; Аша, Кумари; Аша, Кумари; Кумар, Прашант; Саникас, Мелвин (январь 2019 г.). «Достижения в области терапии на основе нуклеиновых кислот против респираторных вирусных инфекций» . Журнал клинической медицины . 8 (1): 6. дои : 10.3390/jcm8010006 . ПМК 6351902 . ПМИД 30577479 .

[10] Кумар, Бинод; Аша, Кумари; Кханна, Мадху; Ронсар, Ларанс; Месеко, Клемент Адебахо; Саникас, Мелвин (10 января 2018 г.). «Новая угроза вируса гриппа: состояние и новые перспективы его терапии и контроля» . Архив вирусологии . 163 (4): 831–844. дои : 10.1007/s00705-018-3708-y . ISSN 0304-8608 . ПМК 7087104 . ПМИД 29322273 .

[11] Кумар, Прашант; Кумар, Бинод; Раджпут, Рупали; Саксена, Латика; Банерджиа, Ахил К.; Кханна, Мадху (2 июня 2013 г.). «Перекрестный защитный эффект антисмыслового олигонуклеотида, разработанного против обычного 3'-NCR генома вируса гриппа А». Молекулярная биотехнология . 55 (3): 203–211. дои : 10.1007/s12033-013-9670-8 . ISSN 1073-6085 . ПМИД 23729285 . S2CID 24496875 .

[12] Кумар, Б.; Кханна, Мадху; Кумар, П.; Суд, В.; Вьяс, Р.; Банерджеа, АК (9 июля 2011 г.). «Опосредованное нуклеиновой кислотой расщепление гена М1 вируса гриппа А значительно усиливается антисмысловыми молекулами, нацеленными на гибридизацию вблизи места расщепления». Молекулярная биотехнология . 51 (1): 27–36. дои : 10.1007/s12033-011-9437-z . ISSN 1073-6085 . ПМИД 21744034 . S2CID 45686564 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]