Cấu trúc gen sinh vật nhân chuẩn

Exon là một phần của gen, tạo thành một phần của RNA trưởng thành cuối cùng sau khi các intron đã bị loại bỏ bằng cách nối RNA. Exon đề cập đến cả trình tự DNA trong gen và trình tự tương ứng trong bản phiên mã RNA. Trong quá trình nối RNA, các intron bị loại bỏ và các exon được liên kết cộng hóa trị để tạo ra RNA trưởng thành. Thuật ngữ "exon" được đặt ra bởi Walter Gilbert vào năm 1978 và bắt nguồn từ vùng biểu hiện của gen. Ban đầu, exon được xác định cho các bản phiên mã mã hóa protein được ghép nối trước dịch. Exon cũng bao gồm các trình tự được loại bỏ khỏi rRNA, tRNA và các phân tử RNA không mã hóa khác. Exon mã hóa các phần của sản phẩm cuối cùng của gen, chẳng hạn như protein, trong các gen của sinh vật nhân chuẩ n. Exon chỉ hiện diện trong các gen của sinh vật nhân chuẩn. Exon là vùng mã hóa của gen và là các phân đoạn quan trọng. Các đoạn intron, vùng không mã hóa, khoảng cách giữa các exon trong gen. Ghép nối, một quá trình sau phiên mã, loại bỏ các đoạn intron và nối các exon. Exon chứa thông tin cần thiết để mã hóa protein. Các gen ở sinh vật nhân chuẩn bao gồm các exon mã hóa xen kẽ với các intron không mã hóa. Các intron được loại bỏ để tạo ra RNA thông tin chức năng (mRNA) cho protein dịch.

Lịch sử của thuật ngữ "exon" bắt đầu từ năm 1978 khi Walter Gilbert, một nhà hóa sinh người Mỹ, đưa ra khái niệm này. Gilbert đã đề xuất một quan điểm mới về cấu trúc của gen, gợi ý rằng ý tưởng truyền thống về cistron nên được thay thế bằng một đơn vị phiên mã bao gồm các vùng sẽ bị mất khỏi RNA thông tin trưởng thành (mRNA), mà ông gọi là intron, xen kẽ với các vùng sẽ được thể hiện, mà ông gọi là exon.

Xem thêm:

Chạy bộ - 15 lợi ích tuyệt vời mà bạn không thể bỏ qua

Ban đầu, định nghĩa về exon này được áp dụng cụ thể cho các bản phiên mã mã hóa protein trải qua quá trình ghép nối trước khi dịch mã. Trọng tâm là các vùng gen sẽ được phiên mã thành mARN trưởng thành và cuối cùng được dịch mã thành protein.

Theo thời gian, định nghĩa về exon được mở rộng để bao gồm các loại phân tử RNA khác. Các trình tự được loại bỏ khỏi RNA ribosome (rRNA), RNA vận chuyển (tRNA) và RNA không mã hóa khác (ncRNA) cũng được gọi là exon. Việc mở rộng thuật ngữ này bao gồm một phạm vi rộng hơn các phân tử RNA có nguồn gốc từ các phần khác nhau của bộ gen.

Hơn nữa, khái niệm về exon đã phát triển để bao gồm quá trình ghép nối, một quá trình trong đó các phân tử ARN từ các vùng gen khác nhau được nối với nhau. Trong bối cảnh này, exon đề cập đến các phân đoạn của phân tử RNA có nguồn gốc từ các phần khác nhau của bộ gen được nối với nhau thông qua nối ghép.

Nhìn chung, thuật ngữ "exon" đã trải qua quá trình mở rộng và hoàn thiện kể từ khi bắt đầu, bắt đầu với ứng dụng của thuật ngữ này đối với các bản phiên mã mã hóa protein và sau đó kết hợp các loại phân tử ARN khác và các sự kiện nối nối. Sự hiểu biết ngày càng tăng về exon này đã góp phần vào kiến thức của chúng ta về cấu trúc gen và quá trình xử lý RNA trong các bối cảnh sinh học khác nhau.

Exon: Vùng mã hóa của gen chứa thông tin cần thiết để tạo ra protein hoặc được tích hợp vào cấu trúc RNA.

Exon là các chuỗi nucleotide trong DNA hoặc RNA được biểu hiện. Exon được bảo tồn trong cả DNA và RNA trưởng thành. Cấu trúc exon bao gồm cả trình tự mã hóa và các vùng chưa được dịch mã (UTR) từ đầu 5' và 3'. Trong các gen mã hóa protein, exon đầu tiên thường chứa cả 5'-UTR và phần đầu của trình tự mã hóa, nhưng exon chỉ bao gồm các vùng UTR hoặc các vùng 3'-UTR cũng có thể xuất hiện. Bản phiên mã RNA không mã hóa cũng có thể chứa exon và intron. Sự ghép nối thay thế có thể dẫn đến các phân tử mARN trưởng thành khác nhau có nguồn gốc từ cùng một gen có các bộ exon khác nhau, vì các intron khác nhau trong tiền mARN có thể bị loại bỏ. Exonization đề cập đến việc tạo ra các exon mới thông qua đột biến trong intron. Exon bao gồm các đoạn DNA sẽ được dịch mã thành axit amin và protein. Ở sinh vật nhân thực, các exon có thể nằm liền kề trong một gen hoặc được phân tách bởi các intron trong một gen không liên tục. Trong quá trình phiên mã, gen được phiên mã thành tiền mRNA, chứa cả intron và exon. Pre-mRNA trải qua quá trình xử lý, trong đó các intron được tách ra, dẫn đến mRNA trưởng thành. mRNA trưởng thành bao gồm các exon và các vùng chưa được dịch mã ngắn (UTR) ở cả hai đầu. Các exon tạo thành khung đọc cuối cùng, bao gồm các nucleotide được sắp xếp thành bộ ba. Khung đọc bắt đầu bằng một codon khởi đầu (thường là AUG) và kết thúc bằng một codon kết thúc. Các nucleotide trong khung đọc được sắp xếp thành bộ ba, mỗi bộ ba mã hóa cho một loại axit amin.

Ghép nối là một quá trình quan trọng trong biểu hiện gen bao gồm việc loại bỏ các intron, vùng không mã hóa, khỏi bản phiên mã mRNA chính và nối các exon lại với nhau để tạo thành mRNA trưởng thành phân tử. Dưới đây là một số điểm chính về nối:

Sự hình thành mARN trưởng thành: Quá trình ghép nối biến đổi pre-mRNA ban đầu, chứa cả exon và intron, thành phân tử mRNA trưởng thành chỉ chứa các exon mã hóa. mRNA trưởng thành này đóng vai trò là khuôn mẫu cho tổng hợp protein.
Xảy ra trước dịch: Quá trình nối diễn ra trước quá trình dịch mã, đó là quá trình tổng hợp protein. Nó đảm bảo rằng thông tin di truyền chính xác được lưu giữ trong mRNA để sản xuất protein thích hợp.
Tầm quan trọng đối với mã hóa protein: Ghép nối là điều cần thiết để mã hóa protein chính xác. Nếu không nối, các vùng mã hóa protein sẽ bị gián đoạn bởi các intron không mã hóa, dẫn đến việc tạo ra các protein không có chức năng hoặc bị cắt ngắn.
Vai trò trong quy định biểu hiện gen: Ghép nối đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh biểu hiện gen. Ghép nối thay thế cho phép tạo ra các dạng đồng phân mRNA khác nhau từ một gen duy nhất, dẫn đến sự tổng hợp các biến thể protein khác nhau với các chức năng riêng biệt. Điều này góp phần vào sự phức tạp và đa dạng của biểu hiện gen.
Các yếu tố ảnh hưởng đến ghép nối: Mối nối có thể khác nhau tùy theo loại sinh vật, cấu trúc RNA hoặc intron và sự có mặt của các chất xúc tác cụ thể. Các sinh vật khác nhau và các loại RNA có thể thể hiện các kiểu và cơ chế nối khác nhau.
Phương pháp nối: Một số cơ chế và con đường nối đã được xác định, bao gồm cả con đường nối chính và các con đường nối thay thế. Các cơ chế này liên quan đến việc nhận biết và loại bỏ chính xác các intron và nối chính xác các exon để tạo ra mRNA trưởng thành.

Quá trình nối liên quan đến việc nhận biết và loại bỏ các intron khỏi tiền mRNA để tạo ra mRNA trưởng thành. Dưới đây là các bước chính liên quan đến ghép nối:

Trình tự được bảo tồn: Pre-mRNA chứa các mối nối exon-intron với các trình tự được bảo tồn. Điểm nối đầu 5' có trình tự GU, được gọi là vị trí nối 5', trong khi điểm nối đầu 3' có trình tự AG, được gọi là vị trí nối 3'.
Điểm chi nhánh: Ngược dòng của vị trí nối 3', có một vị trí bất biến nằm cách 15-45 nucleotide. Trang web này rất giàu bazơ adenine (A) và được gọi là điểm nhánh hoặc trang web nhánh.
Công nhận các vị trí mối nối: Spliceosome, một phức hợp bao gồm các thành phần RNA và protein, nhận ra các trình tự được bảo tồn này trong tiền-mRNA tại các vị trí nối tương ứng. Spliceosome bao gồm các ribonucleoprotein hạt nhân nhỏ (snRNP), bao gồm RNA hạt nhân nhỏ (snRNA) và các protein liên quan.
Thành phần của spliceosome: Các snRNP chính liên quan đến sự hình thành spliceosome là U1, U2, U5 và phức hợp U4-U6. U4 và U6 được liên kết với nhau như một thực thể duy nhất trong spliceosome.
Lắp ráp spliceosome: Spliceosome lắp ráp vào pre-mRNA, tập hợp các snRNP và các protein liên quan khác tại các vị trí nối. Sự hình thành phức tạp này cho phép nhận dạng và ràng buộc chính xác các vị trí mối nối.
Xúc tác Spliceosome: Spliceosome xúc tác hai phản ứng transester hóa. Phản ứng đầu tiên liên quan đến sự phân cắt ở vị trí nối 5', dẫn đến sự hình thành đầu 5' tự do của intron và cấu trúc ấu trùng intron liên kết với điểm phân nhánh. Trong phản ứng thứ hai, intron được giải phóng và các exon liền kề được nối với nhau, tạo thành một phân tử mARN liên tục.
Thắt exon: Các exon được nối với nhau bằng spliceosome và intron được giải phóng dưới dạng cấu trúc lariat. mRNA trưởng thành thu được chỉ chứa các exon mã hóa và sẵn sàng để dịch mã thành protein.

Nhìn chung, quá trình nối liên quan đến việc nhận biết các trình tự được bảo tồn tại các điểm nối exon-intron, lắp ráp thể nối, xúc tác cho các phản ứng nối và nối các exon để tạo ra mRNA trưởng thành. Quy trình chính xác và được điều chỉnh này đảm bảo loại bỏ chính xác các intron và nối đúng cách các exon, dẫn đến việc tạo ra mRNA chức năng để tổng hợp protein.

Con đường nối bao gồm một loạt các bước được hỗ trợ bởi các ribonucleoprotein hạt nhân nhỏ (snRNP) để loại bỏ các intron và nối các exon trong tiền mRNA. Dưới đây là tổng quan về con đường nối:

Liên kết U1 và U2: U1 snRNP liên kết với vị trí nối 5' và U2 snRNP liên kết với vị trí bất biến hoặc điểm rẽ nhánh trong intron.
Liên kết các snRNP bổ sung: Các snRNP khác, bao gồm U5 và U4-U6, liên kết với vùng intron, dẫn đến việc lắp ráp phức hợp spliceosome.
Lắp ráp spliceosome: Phức hợp spliceosome hình thành do sự liên kết của snRNP và các protein liên quan. Phức hợp này đưa các chuỗi intron và exon đến gần nhau.
Vòng lặp và loại bỏ intron: Spliceosome vòng ra khỏi intron, đưa hai đầu của intron lại gần nhau.
Phát hành và sắp xếp lại snRNP: U1 và U4 snRNP được giải phóng khỏi spliceosome, trong khi U6 snRNP được liên kết với cả vị trí nối 5' và U2 snRNP.
Tách và thắt: Đầu 5' của intron bị phân cắt, và đầu phân cắt này gắn vào điểm phân nhánh, điểm này rất giàu adenine (A). Sau đó, đầu 3' của intron bị phân cắt, dẫn đến việc giải phóng intron trong một cấu trúc dạng vòng gọi là lariat.
Exon tham gia: Hai exon liền kề được nối với nhau, tạo thành một phân tử mARN trưởng thành liên tục.
Nối tiếp: Các snRNP tham gia vào quá trình nối một intron được giải phóng và có thể được tái sử dụng để ghép các intron khác trong tiền mRNA. Quá trình nối tiếp tục cho đến khi tất cả các intron bị loại bỏ.
Suy thoái intron: Intron được giải phóng, ở dạng ấu trùng, tiếp tục bị phân hủy bởi enzymevà các thành phần của nó có thể được tái chế cho các quá trình tế bào khác.

Bằng cách đi theo con đường nối này, phức hợp spliceosome đảm bảo loại bỏ chính xác các intron và nối chính xác các exon, dẫn đến việc tạo ra mARN trưởng thành có thể được dịch mã thành protein.

Nối thay thế là một cơ chế cho phép tạo ra các dạng đồng phân mARN khác nhau bằng cách nối có chọn lọc các exon khác nhau lại với nhau trong quá trình xử lý ARN. Quá trình này dẫn đến việc tạo ra nhiều biến thể protein từ một gen duy nhất. Dưới đây là các loại nối thay thế chính:

Nối liên tiếp: Trong kiểu nối thay thế này, các intron liên tiếp được tách ra và các exon liền kề được nối với nhau. Điều này dẫn đến việc bao gồm các exon cụ thể và loại trừ các exon khác, tạo ra các biến thể mRNA với các thành phần exon khác nhau.
Bỏ qua exon: Trong quá trình bỏ qua exon, một số exon nhất định, cùng với các exon liền kề của chúng, được cắt ra khỏi tiền mRNA trước khi dịch mã. Điều này dẫn đến việc loại trừ các exon cụ thể khỏi mRNA cuối cùng, dẫn đến việc tạo ra các dạng đồng phân protein thiếu các exon đó.
Vị trí mối nối 5' hoặc vị trí mối nối 3' thay thế: Nối thay thế cũng có thể xảy ra bằng cách sử dụng các vị trí nối thay thế 5' hoặc 3'. Điều này có nghĩa là các exon khác nhau có thể được nối với nhau tại các vị trí nối thay thế, dẫn đến các dạng đồng phân mRNA với các kiểu bao gồm exon khác nhau.
Lưu giữ intron: Trong một số trường hợp, một số intron nhất định được giữ lại trong mARN trưởng thành thay vì được tách ra. Điều này dẫn đến việc đưa các trình tự phức tạp vào trong mARN và có thể gây ra các hậu quả chức năng đối với dạng đồng phân protein thu được.

Hiện tượng nối thay thế làm tăng đáng kể tính đa dạng của protein có thể được tạo ra từ một số lượng gen hạn chế. Bằng cách bao gồm hoặc loại trừ exon một cách có chọn lọc, quá trình nối thay thế có thể sửa đổi trình tự mã hóa và do đó, cấu trúc, chức năng và quy định của protein. Nó đóng một vai trò quan trọng trong biểu hiện gen đặc hiệu của mô, quá trình phát triển và tạo ra sự đa dạng protein trong các sinh vật phức tạp.

Exon mã hóa protein: Exon là các đoạn mã hóa DNA mang thông tin cần thiết để tạo ra protein. Các exon khác nhau trong một gen có thể mã hóa các miền khác nhau của protein.
Sự hình thành các miền protein: Các exon có thể mã hóa các miền protein riêng lẻ hoặc có thể được nối với nhau để tạo thành các miền protein chức năng. Sự nối các exon này cho phép tạo ra các cấu trúc và chức năng protein đa dạng.
Tiến hóa phân tử thông qua xáo trộn exon: Sự hiện diện của exon và intron cho phép tiến hóa phân tử thông qua một quá trình gọi là xáo trộn exon. Xáo trộn exon xảy ra khi các exon được trao đổi giữa các nhiễm sắc thể chị em trong quá trình tái tổ hợp, dẫn đến sự hình thành các gen mới với các tổ hợp exon khác nhau.
Nối thay thế: Exon cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ghép nối thay thế, một quá trình cho phép sản xuất nhiều dạng đồng phân protein từ một gen duy nhất. Nối thay thế liên quan đến sự sắp xếp khác nhau của exon khi intron bị loại bỏ trong quá trình xử lý RNA. Điều này có thể bao gồm việc loại trừ hoàn toàn exon, bao gồm một phần exon hoặc thậm chí bao gồm các phần của intron.
Tạo ra sự đa dạng protein: Ghép nối thay thế cho phép tạo ra nhiều biến thể protein từ một gen duy nhất, làm tăng tính đa dạng của protein và độ phức tạp về chức năng. Sự ghép nối thay thế có thể xảy ra ở cùng một vị trí để tạo ra các dạng đồng phân khác nhau có vai trò tương tự hoặc trong các loại tế bào hoặc mô khác nhau, mở rộng phạm vi chức năng của protein.
Hệ lụy trong bệnh tật: Nối thay thế, cũng như các khiếm khuyết trong nối thay thế, có thể góp phần gây ra các bệnh khác nhau. Các tình trạng như nghiện rượu và ung thư có liên quan đến sự bất thường trong quá trình ghép nối thay thế, làm nổi bật tầm quan trọng của việc sử dụng exon được điều chỉnh hợp lý trong việc duy trì chức năng tế bào bình thường.

Exon - Khám phá, phân loại, cấu trúc và chức năng