Екзитронне сплайсування: непомічений механізм, що революціонізує наше розуміння експресії генів. Досліджуйте, як це альтернативне сплайсування формує складність протеомів та захворювання.

• Введення в екзитронне сплайсування
• Історичне відкриття та номенклатура
• Молекулярні механізми, що лежать в основі екзитронного сплайсування
• Біоінформатичні підходи для виявлення екзитронів
• Функціональні наслідки для структури білків
• Екзитронне сплайсування у здоров’ї та захворюваннях
• Порівняльний аналіз між видами
• Експериментальні методи для валідації
• Терапевтичні та біотехнологічні аспекти
• Майбутні напрямки та відкриті питання
• Джерела та посилання

Введення в екзитронне сплайсування

Екзитронне сплайсування — це феномен альтернативного сплайсування, при якому внутрішні регіони екзонів, що кодують білки, які називаються “екзитронами”, вибірково видаляються з пре-мРНК транскриптів. На відміну від канонічних інтронів, екзитрони вбудовані в анотовані екзони, і їх ексцизія може призводити до виробництва різноманітних ізоформ білків зі зміненою структурою та функцією. Цей процес розширює протеомну складність еукаріот та має значні наслідки для регуляції генів, клітинної адаптації та патогенезу захворювань.

Термін “екзитрон” був вперше введений для опису екзонних послідовностей, які поводяться подібно до інтронів, будучи вирізаними за певних умов. Екзитронне сплайсування відрізняється від традиційного пропускання екзонів або затримки інтронів, оскільки воно передбачає видалення послідовностей, які зазвичай вважаються частиною кодуючої області. В результаті мРНК може кодувати білки з внутрішніми деліціями, що потенційно впливає на домени, критично важливі для активності білка, локалізації або взаємодій.

Останні досягнення в області високопродуктивного секвенування РНК та обчислювального аналізу дозволили систематично виявляти події екзитронного сплайсування в різних видах, включаючи людей, рослини та модельні організми. Ці дослідження показали, що екзитронне сплайсування є широко поширеним і збереженим механізмом, який сприяє різноманітності транскриптомів і протеомів. Варто зазначити, що екзитронне сплайсування було пов’язане з регуляцією ключових біологічних процесів, таких як диференціація клітин, стресові реакції та імунна функція.

Функціональні наслідки екзитронного сплайсування залежать від контексту. В деяких випадках видалення екзитронів може створювати ізоформи білків з новими або домінуючими негативними функціями, тоді як в інших випадках це може призвести до виробництва укорочених або нефункціональних білків. Дисрегуляція екзитронного сплайсування асоціюється з різними захворюваннями, включаючи рак, де аномальні сплайсингові патерни можуть призводити до розвитку пухлин або впливати на резистентність до терапії. Тому розуміння механізмів, що визначають визнання та ексцизію екзитронів, є предметом значного інтересу як в основній біології, так і в клінічних дослідженнях.

Дослідження екзитронного сплайсування підтримуються великими науковими організаціями та дослідницькими інститутами в усьому світі, включаючи Національні Інститути Здоров’я та Європейський Інститут Біоінформатики, які надають ресурси та бази даних для вивчення альтернативних сплайсингових подій. Оскільки поле розвивається, виявлення регуляторних мереж і функціональних наслідків екзитронного сплайсування буде критично важливим для використання його потенціалу в діагностиці та терапії.

Історичне відкриття та номенклатура

Екзитронне сплайсування представляє собою відносно нове доповнення до розширювального ландшафту альтернативних сплайсингових подій у еукаріотичних транскриптомах. Термін “екзитрон” є поромантеною формою слова “екзонний інтрон”, що відображає унікальну природу цих послідовностей: вони є інтроноподібними регіонами, вбудованими в анотовані екзони, що кодують білки. Історичне відкриття екзитронного сплайсування можна відстежити до розвитку технологій високопродуктивного секвенування РНК (RNA-seq) на початку 2010-х років, які дозволили дослідникам виявляти раніше непомічені події сплайсування з одномоментним розділенням нуклеотидів.

Перше систематичне визначення та характеристики екзитронного сплайсування були описані в 2014 році Маркезом та ін., які аналізували транскриптоми Arabidopsis thaliana та людських клітин. Їхня робота виявила, що певні екзонні області можуть бути альтернативно сплайсовані, ведучи себе подібно до звичайних інтронів, але розташовані в межах анотованих екзонів. Ця знахідка кинула виклик традиційній бінарній класифікації екзонів і інтронів, пропонуючи більше нюансів у розумінні архітектури генів та різноманітності транскриптів. Автори ввели термін “екзитрон” для опису цих регіонів, підкреслюючи їх подвійні екзонні та інтронні характеристики.

Номенклатура “екзитрон” з тих пір була широко прийнята в науковій літературі для відрізнення цих елементів від канонічних інтронів і екзонів. Екзитронне сплайсування тепер вважається збереженим механізмом серед різних еукаріотичних таксонів, включаючи рослини, тварин та гриби. Відкриття екзитронів спонукало до переосмислення практик анотації генів та висвітлило складність посттрансляційної регуляції. Зокрема, екзитронне сплайсування може генерувати ізоформи білків з зміненими структурами доменів, що потенційно впливає на функцію білка та клітинні фенотипи.

Зростаючий інтерес до екзитронного сплайсування призвів до розробки спеціалізованих обчислювальних інструментів та баз даних для їх виявлення та анотації. Основні дослідницькі організації та геномні консорціуми, такі як Європейський Інститут Біоінформатики та Національний Центр Біотехнологічної Інформації, включили екзитронні дані до своїх ресурсів, що полегшує подальше дослідження цього явища. Оскільки це поле продовжує розвиватися, історичне відкриття та номенклатура екзитронного сплайсування підкреслюють динамічну природу геномної біології та постійне уточнення нашого розуміння регуляції експресії генів.

Молекулярні механізми, що лежать в основі екзитронного сплайсування

Екзитронне сплайсування — це недавно охарактеризована форма альтернативного сплайсування, яка полягає у вилученні внутрішніх кодуючих послідовностей, які називаються “екзитронами”, з зрілих мРНК транскриптів. На відміну від канонічних інтронів, екзитрони розташовані всередині анотованих екзонів, і їх видалення може істотно змінити кодуючий потенціал внаслідку мРНК. Молекулярні механізми, що лежать в основі екзитронного сплайсування, є складними і включають як цис-регуляторні елементи, так і транс-діючі сплайсингові фактори.

В основі екзитронного сплайсування лежить визнання неконвенційних сплайс-сайтів у межах екзонних регіонів. Екзитрони зазвичай мають слабші конституційні послідовності сплайс-сайтів порівняно зі звичайними інтронами, що робить їх визнання сплайсосомою менш ефективним і більш залежним від контексту. Сплайсом, динамічний рибонуклеопротеїновий комплекс, відповідальний за сплайсування пре-мРНК, повинен розрізняти межі екзитронів від навколишніх екзонних послідовностей. Цей процес підлягає впливу екзонних сплайсинових підсилювачів (ESEs) і пригнічувачів (ESSs), які залучають або відштовхують специфічні сериново-аргінінові (SR) білки та гетерогенні нуклеарні рибонуклеопротеїни (hnRNPs), які регулюють вибір сплайс-сайту.

Транс-діючі фактори відіграють вирішальну роль у регуляції екзитронного сплайсування. SR-білки зазвичай сприяють розпізнаванню сплайс-сайтів і включенню екзонних послідовностей, тоді як hnRNPs часто виступають як репресори, сприяючи ексцизії екзитронів. Баланс між цими факторами, а також їх рівні експресії та посттрансляційні модифікації можуть змінювати результат сплайсування. Крім того, локальне хроматинове середовище та швидкість подовження РНК полімерази II впливають на рішення про альтернативне сплайсування, включаючи використання екзитронів, модулюючи доступність сплайсингового механізму до новонароджених транскриптів.

Останні дослідження підкреслюють еволюційну збереженість екзитронного сплайсування серед еукаріотів, що свідчить про його фундаментальну біологічну роль. У рослин, наприклад, екзитронне сплайсування було залучено до диверсифікації протеомів та стресових реакцій, тоді як у людини воно все більше визнане як джерело транскриптомної та протеомної різноманітності з потенційними наслідками в раку та інших захворюваннях. Функціональні наслідки екзитронного сплайсування різноманітні, починаючи від генерації нових ізоформ білків та закінчуючи появою передчасних стоп-кодонів, що можуть викликати нонсенс-медіоване розпад.

Поточні дослідження, підтримувані такими організаціями, як Національні Інститути Здоров’я та Європейський Інститут Біоінформатики, продовжують прояснювати точні молекулярні детермінанти та регуляторні мережі, що керують екзитронним сплайсуванням. Прогрес у високопродуктивному секвенуванні та обчислювальному аналізі, як очікується, ще більше розкриє складність цього механізму альтернативного сплайсування та його вплив на регуляцію експресії генів.

Біоінформатичні підходи для виявлення екзитронів

Екзитронне сплайсування представляє собою неконвенційну форму альтернативного сплайсування, де внутрішні регіони анотованих екзонів (екзитрони) видаляються з зрілої мРНК. Цей процес може генерувати ізоформи білків зі зміненими функціями та пов’язаний як з нормальними фізіологічними процесами, так і з захворюваннями, включаючи рак. Виявлення подій екзитронного сплайсування створює унікальні біоінформатичні виклики, оскільки екзитрони не анотовані як звичайні інтрони, а їх сплайсування може бути залежним від контексту. Внаслідок цього були розроблені спеціалізовані обчислювальні підходи для точного виявлення та характеристики екзитронного сплайсування на основі даних високопродуктивного секвенування РНК (RNA-seq).

Основним етапом виявлення екзитронів є вирівнювання рідінгів RNA-seq до референсного геному або транскриптому. Стандартні aligners, такі як STAR та HISAT2, розроблені Національним Центром Біотехнологічної Інформації та іншими дослідницькими консорціумами, часто використовуються для цих цілей. Однак, оскільки екзитрони вбудовані в екзони, традиційні сплайсинг-обізнані aligners не завжди можуть розрізняти екзитронне сплайсування від канонічних екзонно-екзонних з’єднань. Щоб вирішити цю проблему, були розроблені спеціалізовані інструменти, такі як “ScanExitron” та “Exitron-Seq”. Ці інструменти використовують унікальні послідовні підписи екзитронного сплайсування — зокрема, присутність неконвенційних сплайс-з’єднань всередині анотованих екзонів — для виявлення кандидатів на екзитрони.

Біоінформатичні потоки для виявлення екзитронів зазвичай включають кілька ключових етапів:

• Вирівнювання рідінгів: Високоякісне картування рідінгів RNA-seq до референсного геному, з увагою до сплочених рідінгів, які можуть вказувати на нові сплайсові з’єднання в межах екзонів.
• Виявлення з’єднань: Витягування сплайсових з’єднань з файлів вирівнювань, зосереджуючи увагу на тих, які не відповідають анотованим межам інтрон-екзон.
• Фільтрація кандидатів на екзитрони: Застосування фільтрів для відокремлення справжніх подій екзитронів від артефактів секвенування або неправильних вирівнювань, зазвичай використовуючи критерії, такі як мінімальна підтримка рідінгів, канонічні сплайс-сайтові мотиви та збереженість у вибірках.
• Анотація та кількісна оцінка: Інтеграція з базами даних геномної анотації, такими як ті, що підтримуються Ensembl або GENCODE, для картування подій екзитронів до конкретних генів та кількісної оцінки їх використання в різних умовах.

Останні досягнення в технологіях довгого рідінга, захищених такими організаціями, як Pacific Biosciences та Oxford Nanopore Technologies, ще більше покращили виявлення екзитронів, дозволяючи безпосередньо спостерігати за повноцінними транскриптами та складними паттернами сплайсування. Ці технології зменшують неоднозначність у призначенні сплайсових з’єднань і полегшують відкриття нових екзитронних подій, які можуть бути пропущені підходами коротконогих рідінгів.

На закінчення, біоінформатичне виявлення екзитронного сплайсування покладається на комбінацію розширених алгоритмів вирівнювання, спеціалізованих інструментів виявлення та інтеграцію з всебічними ресурсами анотації генів. Оскільки технології секвенування та обчислювальні методи продовжують розвиватися, чутливість та специфічність виявлення екзитронів, як очікується, покращиться, що поглибить наше розуміння цього цікавого сплайсингового феномену.

Функціональні наслідки для структури білків

Екзитронне сплайсування — це форма альтернативного сплайсування, при якій внутрішні регіони екзонів, що кодують білки, термінологічно називають “екзитронами”, видаляються з пре-мРНК транскриптів. Цей процес може мати глибокі функціональні наслідки для отриманої структури білка, оскільки безпосередньо змінює амінокислотну послідовність, закодовану постраждалими екзонами. На відміну від канонічних інтронів, екзитрони вбудовані в екзонні послідовності, і їх видалення зазвичай не порушує рамку зчитування, але може призвести до виробництва білкових ізоформ зі зміненими доменами, мотивами або функціональними сайтами.

Ексцизія екзитронів може призводити до видалення певних сегментів білка, потенційно усуваючи або модифікуючи функціональні домени, такі як активні сайти ферментів, зв’язувальні мотиви або регуляторні області. Це може вплинути на стабільність білка, локалізацію, взаємодії з іншими молекулами і загальну біологічну активність. Наприклад, якщо екзитрон кодує частину каталізуючого домену, його видалення може зробити білок ферментативно неактивним або змінити специфічність субстратів. У свою чергу, утримання екзитронів може зберегти ці домени, що призведе до експресії канонічної білкової ізоформи.

Структурні дослідження показують, що екзитронне сплайсування може генерувати варіанти білків з різними тривимірними конфігураціями. Ці структурні зміни можуть впливати на згортання білків, олігомеризацію або здатність формувати комплекси з іншими білками або нуклеїновими кислотами. В деяких випадках екзитронне сплайсування вводить нові послідовні з’єднання, що можуть створювати нові епітопи або сайти посттрансляційних модифікацій, ще більше диверсифікуючи протеом. Функціональний вплив цих змін залежить від контексту і може варіюватися від незначного модулювання активності до повної втрати або набуття функції.

Важливо, що екзитронне сплайсування не є випадковим, а регулюється специфічно для тканин і в залежності від розвитку, що свідчить про його роль у точному налаштуванні функції білка у відповідь на фізіологічні потреби. Дисрегуляція екзитронного сплайсування була пов’язана з різними захворюваннями, включаючи рак, де аномальне сплайсування може призводити до побуту онкогенних білкових варіантів або втрати функцій супресорів пухлин. Вивчення екзитронного сплайсування та його впливу на структуру білків є активно вивченим напрямком, з наслідками для розуміння складності протеомів та розробки цілеспрямованих терапевтичних стратегій.

Дослідження механізмів та наслідків екзитронного сплайсування підтримується провідними науковими організаціями, такими як Національні Інститути Здоров’я та Європейський Інститут Біоінформатики, які надають ресурси та бази даних для аналізу альтернативних сплайсингових подій та їх впливу на структуру й функцію білків.

Екзитронне сплайсування у здоров’ї та захворюваннях

Екзитронне сплайсування — це недавно охарактеризована форма альтернативного сплайсування, що передбачає видалення внутрішніх кодуючих послідовностей, термінологічно називаючи їх “екзитронами”, з анотованих екзонів, які кодують білки. На відміну від канонічних інтронів, екзитрони вбудовані в екзони, і їх видалення або утримання може суттєво змінити отриманий білковий продукт. Цей процес розширює протеомну різноманітність і функціональну складність еукаріотичних клітин, з важливими наслідками для нормальної фізіології та патологічних станів.

У здорових тканинах екзитронне сплайсування сприяє точному налаштуванню експресії генів і функції білків. Генеруючи численні білкові ізоформи з одного гена, екзитронне сплайсування дозволяє клітинам адаптуватися до розвитку та змін навколишнього середовища. Наприклад, у рослин екзитронне сплайсування, як показано у дослідженнях Європейського Інституту Біоінформатики (EMBL-EBI), відіграє роль у стресових реакціях і регуляції розвитку. У людей екзитронне сплайсування все більше визнається механізмом, що розширює функціональний репертуар білків, особливо в тканинах з високою клітинною різноманітністю, таких як мозок та імунна система.

Однак дисрегуляція екзитронного сплайсування була пов’язана з різними захворюваннями, найбільш помітно з раком. Аномальне екзитронне сплайсування може призвести до виробництва укорочених або змінених білків, які можуть сприяти онкогенезу або набути резистентності до терапії. Наприклад, дослідження виявили повторювані події екзитронного сплайсування в генах, пов’язаних з супресією пухлин та регуляцією циклу клітин, що свідчить про їхню роль у прогресії пухлин. Національний Інститут Раку підкреслює важливість альтернативного сплайсування, включаючи екзитронні події, у генерації неоантигенів, які можуть бути розпізнані імунною системою, відкриваючи потенційні мішені для імунної терапії.

Поза раком, екзитронне сплайсування було пов’язане з нейродегенеративними захворюваннями та генетичними хворобами. Неправильне сплайсування екзитронів у нейронних генах може порушити синаптичну функцію та сприяти станам, таким як аміотрофічний латеральний склероз (ALS) та певні форми епілепсії. Національні Інститути Здоров’я підтримують поточні дослідження молекулярних механізмів, що лежать в основі екзитронного сплайсування та його впливу на здоров’я людини.

З розвитком технологій високопродуктивного секвенування та обчислювальних інструментів, ландшафт екзитронного сплайсування у здоров’ї та захворюваннях стає все яснішим. Розуміння регуляторних мереж і функціональних наслідків екзитронного сплайсування обіцяє нові можливості для розвитку нових діагностичних маркерів та терапевтичних стратегій, підкреслюючи його значення в молекулярній медицині.

Порівняльний аналіз між видами

Екзитронне сплайсування, форма альтернативного сплайсування, де внутрішні екзонні регіони (екзитрони) видаляються з зрілої мРНК, стало значним механізмом для розширення різноманітності транскриптомів та протеомів серед еукаріотів. Порівняльні аналізи між видами виявляють як збережені, так і відмінні риси екзитронного сплайсування, підкреслюючи його еволюційну та функціональну важливість.

У рослин екзитронне сплайсування вперше систематично охарактеризували у Arabidopsis thaliana, де було показано, що воно сприяє складності протеомів, генеруючи білкові ізоформи з зміненими доменами чи регуляторними мотивами. Дослідження ресурсів інформації про Arabidopsis зафіксували численні події екзитронів, демонструючи їх поширеність та потенційні ролі в стресових реакціях і розвитку. Особливо екзитрони рослин часто зберігають кодуючий потенціал, і їх сплайсування ретельно регулюється у відповідь на екологічні сигнали.

У тварин екзитронне сплайсування спостерігається у різних таксонів, включаючи ссавців, комах та нематод. У людей дослідження, підтримуване Національним Центром Біотехнологічної Інформації (NCBI) та Національними Інститутами Здоров’я (NIH), виявило події екзитронів як у нормальних, так і в злоякісних тканинах. Людські екзитрони часто перекриваються з екзонними послідовностями, і їх ексцизія може призводити до зсувів рамок зчитування, передчасних стоп-кодонів або видалення функціональних доменів білків. Це має наслідки для захворювання, особливо в онкогенезі, де аномальне екзитронне сплайсування може викликати неоантигени або порушувати гени-супресори пухлин.

Порівняльні геномні аналізи вказують на те, що хоча основний механізм екзитронного сплайсування збережений, частота, регуляторні елементи та функціональні наслідки варіюють між видами. Наприклад, екзитронне сплайсування, здається, поширене більше у рослин, ніж у тварин, що, можливо, відображає відмінності в організації геному та сплайсинговій машині. База даних геномів Ensembl, що підтримується Європейським Інститутом Біоінформатики, надає міжвидові анотації, які полегшують такі порівняльні дослідження, виявляючи специфічні для лінії паттерни та еволюційну збереженість генів, що містять екзитрони.

Більш того, регуляторні фактори, що керують екзитронним сплайсуванням, такі як сила сплайсових сайтів і наявність специфічних білків-зв’язуючих РНК, демонструють як збережені, так і специфічні для видів особливості. Поточні дослідження, підтримані такими організаціями, як Європейська лабораторія молекулярної біології (EMBL), продовжують прояснювати молекулярні детермінанти та біологічні наслідки екзитронного сплайсування серед дерева життя.

Експериментальні методи для валідації

Експериментальна валідація екзитронного сплайсування є важливим кроком для підтвердження обчислювальних прогнозів і для з’ясування біологічного значення цих неконвенційних сплайсингових подій. Екзитронне сплайсування, що передбачає видалення внутрішніх кодуючих послідовностей (екзитронних регіонів) з зрілих мРНК, можна підтвердити за допомогою комбінації молекулярно-біологічних технік, високопродуктивного секвенування та функціональних ассеїв.

Основний підхід для валідації екзитронного сплайсування — це полімеразна ланцюгова реакція у зворотному напрямку (RT-PCR). Дослідники проектують праймери, що оточують передбачуваний екзитронний регіон, щоб ампліфікувати як сплайсовані, так і несплайсовані ізоформи з комплементарної ДНК (cDNA), отриманої з РНК-зразків. Присутність різних PCR-продуктів, що відповідають включенню або виключенню екзитрону, можна візуалізувати за допомогою гель-електрофорезу. Секвенування Sanger цих продуктів додатково підтверджує точні сплайсові з’єднання, надаючи прямі докази екзитронного сплайсування на рівні транскрипта.

Кількісна реальна часова PCR (qRT-PCR) часто використовується для вимірювання відносної кількості сплайсованих екзитронів порівняно з канонічними транскриптами. Цей метод дозволяє оцінити частоту екзитронного сплайсування в різних тканинах, стадіях розвитку або експериментальних умовах. Для підвищення роздільної здатності та продуктивності широко використовується RNA-секвенування (RNA-seq). Шляхом картування рідінгів секвенування до референсного геному та транскриптому дослідники можуть виявити рідінги, що охоплюють нові сплайсові з’єднання, які вказують на ексцизію екзитрону. Обчислювальні інструменти, спеціально розроблені для виявлення екзитронів, такі як ті, що використовують спліт-ридінги, покращують чутливість та специфічність валідації на основі RNA-seq.

Щоб підтвердити, що екзитронне сплайсування призводить до виробництва змінених білкових ізоформ, можна використати протеоміку на основі мас-спектрометрії. Цей підхід виявляє пептиди, характерні для сплайсованих екзитронних ізоформ, надаючи прямі докази на рівні білка. Крім того, вестерн-блотинг із специфічними антитілами до ізоформ може валідувати експресію білків, які є результатом екзитронного сплайсування.

Функціональна валідація часто передбачає використання репортерних ассеїв на основі мінігена. У цьому методі генетичні фрагменти, що містять екзитрон та його прилеглі екзони, клонуються в експресійні вектори та трансфікуються в культурні клітини. Патерн сплайсування мРНК мінігена потім аналізується за допомогою RT-PCR або секвенування, що дозволяє дослідникам розібратися у цис-регуляторних елементах та транс-діючих факторах, які впливають на екзитронне сплайсування.

У сукупності ці експериментальні методи — від RT-PCR та RNA-seq до протеоміки та мінігенної валідації — забезпечують всебічний набір інструментів для валідації подій екзитронного сплайсування та дослідження їх функціональних наслідків. Ці підходи широко використовуються та рекомендовані провідними дослідницькими організаціями, такими як Національні Інститути Здоров’я та Європейський Інститут Біоінформатики, які підтримують розробку та поширення найкращих практик у дослідженнях РНК-біології.

Терапевтичні та біотехнологічні аспекти

Екзитронне сплайсування, форма альтернативного сплайсування, при якій внутрішні екзонні регіони (екзитрони) вибірково видаляються з зрілої мРНК, стало значним механізмом, що впливає на різноманітність протеомів та регуляцію генів. Відкриття екзитронного сплайсування має глибокі терапевтичні та біотехнологічні наслідки, особливо в контексті захворювань людини та синтетичної біології.

У онкології було показано, що екзитронне сплайсування генерує нові білкові ізоформи, які можуть сприяти онкогенезу, ухиленню від імунітету та резистентності до лікарської терапії. Наприклад, аномальні події екзитронного сплайсування можуть виробляти укорочені або змінені білки, які сприяють прогресії раку або створюють неоантигени, розпізнавані імунною системою. Це відкриває нові можливості для розробки імунотерапій раку, які націлені на неоепітопи, що походять від екзитронів, а також для маломолекулярних ліків або антисенс-олігнонуклеотидів, які призначені для модулювання паттернів екзитронного сплайсування. Такі стратегії можуть відновити нормальне сплайсування або вибірково усунути патогенні ізоформи, пропонуючи точний медичний підхід до лікування раку. Потенціал націлювання на механізми сплайсування, включаючи екзитронне сплайсування, активно досліджується дослідницькими установами та фармацевтичними компаніями по всьому світу, і вже кілька клінічних випробувань перебувають у стадії проведення (Національний Інститут Раку).

Поза онкологією екзитронне сплайсування пов’язане з низкою генетичних та нейродегенеративних захворювань. Неправильне регулювання екзитронного сплайсування може порушувати нормальні функції білка, сприяючи появі симптомів хвороби. Терапевтичні втручання, які виправляють або компенсують тези дефекти сплайсування, знаходяться на стадії дослідження, використовуючи досягнення в області РНК-терапії та технології редагування генів. Наприклад, підходи на основі CRISPR/Cas можуть бути використані для модифікації регуляторних елементів сплайсування, впливаючи на включення або виключення екзитронів у контрольований спосіб (Національні Інститути Здоров’я).

У біотехнології програмованість екзитронного сплайсування пропонує інструменти для синтетичної біології та проектування білків. Створюючи синтетичні гени з інженерованими екзитронами, дослідники можуть створювати білки з налаштованими доменами або регуляторними характеристиками, розширюючи функціональний репертуар біологічних систем. Це має застосування в розробці нових ферментів, біосенсорів та терапевтичних білків. Більше того, розуміння екзитронного сплайсування покращує анотацію транскриптомів та протеомів, підвищуючи точність генетичних моделей та функціональних прогнозів як у базових, так і на прикладних дослідженнях (Європейський Інститут Біоінформатики).

В цілому, виявлення механізмів екзитронного сплайсування здатне трансформувати терапевтичні стратегії та біотехнологічні інновації, підкреслюючи важливість продовження досліджень і співпраці між академічними, клінічними та галузевими учасниками.

Майбутні напрямки та відкриті питання

Екзитронне сплайсування, форма альтернативного сплайсування, при якій внутрішні екзонні регіони (екзитрони) видаляються зі зрілих мРНК, швидко стало важливим механізмом для розширення транскриптомного та протеомного різноманіття. Незважаючи на прогрес у його ідентифікації та функціональній анотації, залишається кілька майбутніх напрямків і відкритих питань, які є критично важливими для повного розуміння його біологічних та клінічних наслідків.

Однією з основних областей для майбутніх досліджень є прояснення регуляторних механізмів, які керують екзитронним сплайсуванням. Хоча канонічне сплайсування організується добре відомими компонентами сплайсосоми та регуляторними факторами, специфічні цис-елементи та транс-діючі білки, які визначають визнання та ексцизію екзитронів, ще не повністю визначені. Необхідні високопродуктивні мутагенезні та крослінкові дослідження, в поєднанні з розширеними обчислювальними моделями, щоб змоделювати ці регуляторні мережі. Більше того, взаємодія між екзитронним сплайсуванням та іншими подіями обробки РНК, такими як редагування РНК та альтернативний поліаденілів, залишається в основному не дослідженою.

Ще одним відкритим питанням є еволюційна збереженість та функціональна значущість екзитронного сплайсування серед видів. Попередні дослідження виявили екзитронне сплайсування як у рослин, так і у тварин, що свідчить про давній і, ймовірно, збережений механізм. Однак міра, в якій екзитронне сплайсування сприяє складності організмів, адаптації або сприйнятливості до захворювань, не зовсім зрозуміла. Порівняльна геноміка та функціональні ассеї в різноманітних модельних організмах будуть необхідні для вирішення цих питань.

Клінічна значущість екзитронного сплайсування є особливо перспективною, але ще не розробленою областю. Останні знахідки вказують на те, що екзитронне сплайсування може генерувати нові білкові ізоформи з зміненими функціями, деякі з яких можуть діяти як неоантигени в раку або сприяти резистентності до лікарської терапії. Однак розповсюдженість та вплив отриманих з екзитронів ізоформ у захворюваннях людини ще потребує системного вивчення. Потрібні масштабні транскриптомні аналізи проб пацієнтів, в поєднанні з протеомною валідацією, щоб оцінити їх діагностичний та терапевтичний потенціал. Крім того, розробка специфічних інгібіторів або модулюючих агентів екзитронного сплайсування може відкрити нові шляхи для цілеспрямованих терапій.

Нарешті, технічні проблеми, пов’язані з точним виявленням та кількісною оцінкою подій екзитронного сплайсування, мають бути вирішені. Сучасні технології секвенування РНК та біоінформатичні потоки можуть неадекватно відображати або неправильно класифікувати екзитронні події через їх неконвенційні сплайсові сайти та змінні довжини. Продовження інновацій у технологіях секвенування довгим рідінгом та засобах аннотації на основі машинного навчання буде критично важливим для розвитку цього напрямку.

У міру розвитку досліджень співпраця між академічними установами, клінічними центрами та міжнародними консорціумами, такими як Національні Інститути Здоров’я та Європейський Інститут Біоінформатики, буде життєво важливою для стандартизації методологій та обміну даними. Вирішення цих відкритих питань не лише поглибить наше розуміння біології РНК, але й може виявити нові стратегії для діагностики та лікування захворювань.

Джерела та посилання

• Національні Інститути Здоров’я
• Європейський Інститут Біоінформатики
• Національний Центр Біотехнологічної Інформації
• GENCODE
• Oxford Nanopore Technologies
• Національний Інститут Раку
• Європейська лабораторія молекулярної біології