Альтернативный сплайсинг мРНК и его влияние на развитие болезни Альцгеймера

Alternative mRNA splicing and its effect on the development of Alzheimer's disease

Авторы:

Прокопенко Екатерина Сергеевна

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия

e-mail: prokopenko.ekaterina01@mail.ru

Prokopenko Ekaterina Sergeevna

St. Petersburg State Institute of Technology, St.-Petersburg, Russia

e-mail: prokopenko.ekaterina01@mail.ru

Совестнов Александр Юрьевич

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия

e-mail: akrustein@bk.ru

Sovestnov Alexander Yurievich

St. Petersburg State Institute of Technology, St.-Petersburg, Russia

e-mail: akrustein@bk.ru

Горохова Элина Евгеньевна

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия

e-mail: elina.gorohova13@mail.ru

Gorokhova Elina Evgenievna

St. Petersburg State Institute of Technology, St.-Petersburg, Russia

e-mail: elina.gorohova13@mail.ru

Аннотация: Альтернативный сплайсинг матричной РНК – сложный и до конца не изученный посттранскрипционный процесс, суть которого заключается в образовании нескольких различных зрелых мРНК. Вследствие этого процесса в ходе экспрессии одного гена в итоге происходит синтез нескольких белков. Этому процессу подвержены около 94% всех генов человека, и любая ошибка может очень сильно повлиять на весь организм. К примеру, была доказана связь альтернативного сплайсинга генов, экспрессирующихся в нервной системе, с болезнью Альцгеймера. В этой статье мы отметим основные достижения молекулярной биологии в исследовании его механизмов и влияния на развитие этого нейродегенеративного заболевания. 

Abstract: Alternative splicing of matrix RNA is a complex and not fully understood post–transcriptional process, the essence of which is the formation of several different mature mRNAs. As a result of this process, several proteins are eventually synthesized during the expression of one gene. About 94% of all human genes are subject to this process, and any mistake can greatly affect the entire body. For example, the connection of alternative splicing of genes expressed in the nervous system with Alzheimer's disease has been proven. In this article we will note the main achievements of molecular biology in the study of its mechanisms and influence on the development of this neurodegenerative disease.

Ключевые слова: альтернативный сплайсинг, болезнь Альцгеймера, нейродегенеративные заболевания, генетика. 

Keywords: alternative splicing, Alzheimer's disease, neurodegenerative diseases, genetics.

Тематическая рубрика: Медицина и психология.

Введение.

Альтернативный сплайсинг – это метод, используемый клетками для создания множества белков из одной и той же цепи ДНК. В клетке посредством процесса транскрипции специализированные белки создают матричную РНК (мРНК) на основе одной из цепей ДНК. Эта мРНК затем находит свой путь к рибосоме, где триплетный нуклеотидный код переводится в структуру нового белка в процессе трансляции. При альтернативном сплайсинге множество различных факторов, таких как внешние условия среды, белки-факторы сплайсинга и т.д. могут привести к тому, что разные сегменты исходной мРНК (т.н. «первичного транскрипта») будут исключены из итоговой рабочей мРНК. Когда это происходит, альтернативная мРНК транслируется в совершенно другой белок.

Прежде чем далее рассматривать этот процесс, необходимо дать определение процессу сплайсинга мРНК. Сразу после окончания транскрипции молекула РНК еще не может выполнять свою основную функцию – быть матрицей для белкового синтеза. Она должна претерпеть превращения, называемые постранскрипционным процессингом. Частью этого процесса является вышеупомянутый сплайсинг, который представляет собой механизм точного вырезания некодирующих участков (интронов) и сшивания кодирующих участков (экзонов) первичного транскрипта или пре-мРНК, который проводится комплексом РНК (точнее, малых ядерных рибонуклеопротеидов – snRNP (small nuclear ribonucleoproteins)) и белковых молекул, называемым сплайсосомой [1].

ДНК эукариот, в отличие от прокариотической, не представляет собой непрерывный сценарий белкового синтеза. Она содержит кодирующие участки, называемые экзонами, и интроны – участки, которые не кодируют информацию о белках.

Интроны на своих концах содержат  последовательности длиной в два нуклеотида, которые сигнализируют о начале и об окончании сплайсинга, точнее, вырезания конкретного интрона. Первые два нуклеотида интрона, чаще всего это гуанин и урацил — GU, — это так называемый донорный или 5’-cайт. Донорным его назвали, потому что на нем происходит сборка сплайсосомы: с 5’-сайтом связываются snRNP и белковые факторы сплайсинга. Акцепторный, или 3’-сайт, — это два нуклеотида, аденин и гуанин (AG), маркирующие конец интрона. Экзоны, расположенные до донорного и после акцепторного сайтов, сшиваются, а интрон высвобождается и разрушается [1].

Таким образом, благодаря наличию интронов, которые вырезаются из транскрипта, образуются фрагменты, которые могут сшиваться в разном порядке, образуя различные мРНК, в этом и заключается суть альтернативного сплайсинга мРНК.

Влияние альтернативного сплайсинга генов на развитие болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера является наиболее частым нейродегенеративным заболеванием, встречающимся примерно у 20% людей старше 80 лет. Молекулярные причины БА до сих пор плохо изучены. Однако недавние исследования показали, что альтернативный сплайсинг участвует в программировании экспрессии генов, связанных с функциональными изменениями, наблюдаемыми у пациентов с данным недугом.

Нарушения сплайсинга связаны с генетическими заболеваниями человека, включая расстройства мозга. Рассмотрим влияние альтернативного сплайсинга генов, кодирующих белки головного мозга, на развитие болезни Альцгеймера.

Благодаря исследованиям GWAS, была обнаружена связь аномалий в гене фактора сплайсинга RBFOX1 с болезнью Альцгеймера. С данным недугом этот ген связывает то, что нарушения его экспрессии приводят к накоплению β-амилоида у пожилых людей с когнитивными нарушениями [2]. Накопление этого вещества в мозге в виде так называемых «β-амилоидных бляшек» является одним из наиболее характерных признаков болезни Альцгеймера.

Белки RBFOX являются регуляторами альтернативного сплайсинга гена APP, кодирующего белок-предшественник β-амилоида. Действие RBFOX приводит к включению или исключению экзона 7 при экспрессии гена APP. Включение экзона 7 является доминирующей формой сплайсинга в нервной ткани пациентов с БА и может способствовать выработке β-амилоида [3].

Кроме того, RBFOX1 регулирует стабильность нескольких мРНК, кодирующих синаптические белки, тем самым способствуя потере синаптической функции при БА [4].

Рассмотрим другой важный для мозга человека белок, на нарушения синтеза которого влияет альтернативный сплайсинг. Рецептор 2 аполипопротеина Е (ApoER2) – это рецептор аполипопротеина Е, участвующий в процессах обучения и долговременной памяти. Учитывая его роль в познании и его связь с геном риска болезни Альцгеймера, было высказано предположение, что ApoER2 вовлечен в БА, хотя роль рецептора в этом заболевании неясна.

РНК, кодирующая рецептор ApoER2, также подвергается альтернативному сплайсингу. Корректная изоформа этого рецептора, содержащая экзон 19, важна для формирования и функционирования синапсов [5]. Включение этого экзона, а, следовательно, и доля рецептора ApoER2, уменьшается в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера из-за действия фактора сплайсинга из семейства SR (серин-аргинин-богатые белки) - SRSF1 [6].

Однако было показано, что блокирование сайтов связывания SRSF1 с помощью антисмыслового (комплементарного этому фрагменту мРНК) олигонуклеотида (далее – АСО) способно существенно помочь в лечении болезни Альцгеймера  [6]. Лечение мышей с БА однократной дозой АСО исправило расщепление ApoER2 на срок до 6 месяцев и улучшило синаптическую функцию, а также обучение и память. Эти результаты представляют доклинические доказательства эффективности АСО в качестве терапевтического подхода для смягчения симптомов болезни Альцгеймера за счет улучшения сплайсинга экзона 19 ApoER2 [6].

Выводы.

В данной работе были рассмотрены некоторые примеры влияния альтернативного сплайсинга различных генов, кодирующих белки головного мозга, на развитие характерных признаков болезни Альцгеймера. Приведенные в работе исследования позволяют приблизиться к пониманию процессов, происходящих с мозгом пациентов на молекулярном уровне, а также приблизиться к поиску эффективной терапии данного нейродегенеративного заболевания.

Список литературы:

1. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.: «Мир», 2002. — 589 с.

2. Науменко Д.Е. Является ли бета-амилоид причиной болезни Альцгеймера? / Д.Е. Науменко // Наука и образование сегодня. — 2019. — № 9 (44). — С. 67-73.

3. Association Between Common Variants in RBFOX1, an RNA-Binding Protein, and Brain Amyloidosis in Early and Preclinical Alzheimer Disease. / N.S. Raghavan, L. Dumitrescu, E. Mormino, et al. // JAMA Neurol. — 2020. — № 77 (10). — P. 1288-1298.

4. RBFOX1 encoding a splicing regulator is a candidate gene for aggressive behavior / Fernàndez-Castillo N., Gan G., et al. // European Neuropsychopharmacology. — 2020. — № 30. — P. 44-55.

5. Modulation of Synaptic Plasticity and Memory by Reeling Involves Differential Splicing of the Lipoprotein Receptor Apoer2 / U. Beffert, E.J. Weeber, A. Durudas et al. // Neuron. — 2005. — № 47. — P. 567-579.

6. Hinrich A.J. Antisense for ApoER2 splicing in Alzheimer’s / A.J. Hinrich, et al. // EMBO Molecular Medicine. — 2016. — № 4. — P. 328-345.