Splits

De Splits vertegenwoordigt een cruciaal proces tijdens transcriptie in de kern van eukaryoten, waarbij het rijpe mRNA uit het pre-mRNA tevoorschijn komt. Introns die nog steeds aanwezig zijn in het pre-mRNA na transcriptie worden verwijderd en de resterende exons worden gecombineerd om het voltooide mRNA te vormen.

Wat is splitsing

Het centrale dogma van de moleculaire biologie stelt dat de stroom van genetische informatie plaatsvindt van het informatiedrager-DNA via het RNA naar het eiwit. De eerste stap in genexpressie is wat bekend staat als transcriptie. RNA wordt gesynthetiseerd met behulp van het DNA als sjabloon. Het DNA is de drager van de genetische informatie, die daar wordt opgeslagen met behulp van een code die bestaat uit de vier basen adenen, thymine, guanine en cytosine. Het RNA-polymerase-eiwitcomplex leest de basesequentie van het DNA tijdens transcriptie en produceert het overeenkomstige "pre-messenger RNA" (afgekort pre-mRNA). In plaats van thymine wordt uracil altijd opgenomen.

Genen zijn opgebouwd uit exonen en introns. Exonen zijn die delen van het genoom die feitelijk genetische informatie coderen. Introns vertegenwoordigen daarentegen niet-coderende secties binnen een gen De genen die op het DNA zijn opgeslagen, worden doorkruist door lange secties die niet overeenkomen met enige aminozuren in het latere eiwit en die niet bijdragen aan translatie.

Een gen kan tot 60 introns hebben, met lengtes tussen 35 en 100.000 nucleotiden. Deze introns zijn gemiddeld tien keer langer dan exonen. Het pre-mRNA geproduceerd in de eerste stap van transcriptie, ook vaak aangeduid als onvolwassen mRNA, bevat nog steeds zowel exons als introns. Dit is waar het splitsingsproces begint.

De introns moeten uit het pre-mRNA worden verwijderd en de overige exons moeten aan elkaar worden gekoppeld. Alleen dan kan het rijpe mRNA de celkern verlaten en translatie initiëren.

Het splitsen wordt meestal uitgevoerd met behulp van het spliceosoom (Duits: spliceosoom). Deze bestaat uit vijf snRNP's (kleine nucleaire ribonucleoproteïnedeeltjes). Elk van deze snRNP's bestaat uit een snRNA en eiwitten. Enkele andere eiwitten die geen deel uitmaken van de snRNP's, maken ook deel uit van het spliceosoom. Spliceosomes zijn onderverdeeld in grote en kleine spliceosomen. Het belangrijkste spliceosoom verwerkt meer dan 95% van alle menselijke introns, het kleine spliceosoom behandelt voornamelijk de ATAC-introns.

Voor de uitleg van splitsing ontvingen Richard John Roberts en Phillip A. Sharp in 1993 de Nobelprijs voor de geneeskunde. Thomas R. Cech en Sidney Altman ontvingen in 1989 de Nobelprijs voor de chemie voor hun onderzoek naar alternatieve splitsing en het katalytische effect van RNA.

Functie en taak

Tijdens het splitsingsproces wordt het spliceosoom opnieuw gevormd uit zijn afzonderlijke delen. Bij zoogdieren hecht de snRNP U1 zich eerst aan de 5'-splitsingsplaats en initieert de vorming van het resterende spliceosoom. De snRNP U2 bindt aan het vertakkingspunt van het intron. Bindt vervolgens ook de tri-snRNP.

Het spliceosoom katalyseert de splitsingsreactie door middel van twee opeenvolgende transesterificaties. In het eerste deel van de reactie valt een zuurstofatoom uit de 2'-OH-groep van een adenosine uit de "Branch Point Sequence" (BPS) een fosforatoom van een fosfodiësterbinding in de 5'-splitsingsplaats aan. Hierdoor komt het 5 ‘exon vrij en laat het intron circuleren. Het zuurstofatoom van de nu vrije 3'-OH-groep van het 5'-exon bindt zich nu aan de 3'-splitsingsplaats, waardoor de twee exonen met elkaar worden verbonden en het intron vrijkomt. Het intron wordt in een gestroomlijnde conformatie gebracht, een lariat genaamd, die vervolgens wordt afgebroken.

In tegenstelling hiermee spelen spliceosomen geen rol bij zelf-splitsing. Hier worden de introns uitgesloten van translatie door de secundaire structuur van het RNA zelf. De enzymatische splitsing van tRNA (transfer-RNA) vindt plaats in eukaryoten en archea, maar niet in bacteriën.

Het splitsingsproces moet met de grootst mogelijke precisie plaatsvinden op de exon-introngrens, aangezien een afwijking van slechts een enkele nucleotide zou leiden tot een verkeerde codering van aminozuren en dus tot de vorming van totaal verschillende eiwitten.

De splitsing van een pre-mRNA kan anders verlopen als gevolg van omgevingsinvloeden of weefseltype. Dit betekent dat er verschillende eiwitten kunnen worden gevormd uit dezelfde DNA-sequentie en dus hetzelfde pre-mRNA. Dit proces staat bekend als alternatieve splitsing. Een menselijke cel bevat ongeveer 20.000 genen, maar kan dankzij alternatieve splitsing enkele honderdduizenden eiwitten produceren. Ongeveer 30% van alle menselijke genen heeft een alternatieve splitsing.

Splitsing heeft een belangrijke rol gespeeld in de evolutie. Exonen coderen vaak voor afzonderlijke domeinen van eiwitten, die op verschillende manieren met elkaar kunnen worden gecombineerd. Dit betekent dat uit enkele exonen een grote verscheidenheid aan eiwitten met totaal verschillende functies kan worden geproduceerd. Dit proces wordt exon-shuffling genoemd.

Ziekten en aandoeningen

Sommige erfelijke ziekten kunnen nauw verband houden met splitsing. Mutaties in de niet-coderende introns leiden doorgaans niet tot fouten bij de vorming van eiwitten. Als er echter een mutatie optreedt in een deel van een intron dat belangrijk is voor de regulering van de splitsing, kan dit leiden tot een foutieve splitsing van het pre-mRNA. Het resulterende rijpe mRNA codeert vervolgens voor defecte of, in het ergste geval, schadelijke eiwitten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij sommige vormen van bèta-thalassemie, een erfelijke anemie. Andere vertegenwoordigers van ziekten die zich op deze manier ontwikkelen, zijn bijvoorbeeld het Ehlers-Danlos-syndroom (EDS) type II en spinale spieratrofie.