Sense (biologia molekularna) - Sense (molecular biology)

W biologii molekularnej i genetyki The sens z kwasu nukleinowego cząsteczki, zwłaszcza nici DNA lub RNA odnosi się do charakteru roli nici i jej dopełnienie w określania sekwencji aminokwasów . W zależności od kontekstu sens może mieć nieco inne znaczenia. Na przykład, nić DNA o sensie ujemnym jest równoważna z nicią matrycy, podczas gdy nić o sensie dodatnim jest nicią bez matrycy, której sekwencja nukleotydów jest równoważna sekwencji transkryptu mRNA.

Zmysł DNA

Ze względu na komplementarny charakter parowania zasad między polimerami kwasu nukleinowego, dwuniciowa cząsteczka DNA będzie składać się z dwóch nici z sekwencjami, które są wzajemnie odwrotnymi komplementami. Aby pomóc biologom molekularnym specyficznie zidentyfikować każdą nić indywidualnie, dwie nici są zwykle rozróżniane jako nić „sensowna” i nić „antysensowna”. Pojedyncza nić DNA jest określana jako dodatnia (również dodatnia (+) lub po prostu sensowna ), jeśli jej sekwencja nukleotydowa odpowiada bezpośrednio sekwencji transkryptu RNA, który podlega translacji lub translacji na sekwencję aminokwasów (pod warunkiem, że jakakolwiek zasady tyminy w sekwencji DNA są zastąpione zasadami uracylu w sekwencji RNA). Druga nić dwuniciowej cząsteczki DNA jest określana jako negatywna (również negatywna (-) lub antysensowna ) i jest odwrotnie komplementarna zarówno do nici o sensownym dodatnim, jak i transkryptu RNA. W rzeczywistości jest to nić antysensowna, która jest używana jako matryca, z której polimerazy RNA konstruują transkrypt RNA, ale komplementarne parowanie zasad, dzięki któremu zachodzi polimeryzacja kwasu nukleinowego, oznacza, że ​​sekwencja transkryptu RNA będzie wyglądać identycznie jak nić sensowna, z wyjątkiem z transkryptu RNA za pomocą uracylu zamiast tyminy.

Czasami zwroty kodujące nić i nić matrycy są spotykane zamiast, odpowiednio, sensownej i antysensownej, aw kontekście dwuniciowej cząsteczki DNA użycie tych terminów jest zasadniczo równoważne. Jednak nić kodująca/sensowna nie zawsze musi zawierać kod, który jest używany do wytworzenia białka; transkrypcji mogą podlegać zarówno kodujące jak i niekodujące białka RNA .

Terminy „sensowny” i „antysensowny” odnoszą się tylko do określonego transkryptu RNA, o którym mowa, a nie do nici DNA jako całości. Innymi słowy, każda nić DNA może służyć jako nić sensowna lub antysensowna. Większość organizmów o wystarczająco dużych genomach wykorzystuje obie nici, przy czym każda nić funkcjonuje jako nić matrycowa dla różnych transkryptów RNA w różnych miejscach wzdłuż tej samej cząsteczki DNA. W niektórych przypadkach transkrypty RNA mogą podlegać transkrypcji w obu kierunkach (tj. na dowolnej nici) ze wspólnego regionu promotora lub mogą być transkrybowane z wnętrza intronów na dowolnej nici (patrz „ambisense” poniżej).

Antysensowne DNA

Nić sensowna DNA wygląda jak transkrypt informacyjnego RNA (mRNA) i dlatego może być użyta do odczytania oczekiwanej sekwencji kodonów , która zostanie ostatecznie wykorzystana podczas translacji (synteza białek) do zbudowania sekwencji aminokwasowej, a następnie białka. Na przykład, sekwencja „ATG” w obrębie sensownej nici DNA odpowiada kodonowi „AUG” w mRNA, który koduje aminokwas metioninę . Jednak sama nić sensowna DNA nie jest używana jako matryca dla mRNA; to antysensowna nić DNA służy jako źródło kodu białkowego, ponieważ z zasadami komplementarnymi do sensownej nici DNA jest ona wykorzystywana jako matryca dla mRNA. Ponieważ w wyniku transkrypcji powstaje produkt RNA komplementarny do nici matrycowej DNA, mRNA jest komplementarny do antysensownej nici DNA.

Schemat pokazujący, w jaki sposób antysensowne nici DNA mogą zakłócać translację białek

W związku z tym trójka zasad 3'-TAC-5' w antysensownej nici DNA (komplementarna do 5'-ATG-3' w sensownej nici DNA) jest używana jako matryca, która daje 5'-AUG-3' trójka zasad w mRNA. Nić sensowna DNA będzie miała tryplet ATG, który wygląda podobnie do trypletu mRNA AUG, ale nie zostanie wykorzystany do wytworzenia metioniny, ponieważ nie zostanie bezpośrednio wykorzystany do wytworzenia mRNA. Nić sensowna DNA jest nazywana nicią „sensowną” nie dlatego, że będzie używana do wytwarzania białka (nie będzie), ale dlatego, że ma sekwencję, która odpowiada bezpośrednio sekwencji kodonu RNA. Zgodnie z tą logiką sam transkrypt RNA jest czasami opisywany jako „sensowny”.

Przykład z dwuniciowym DNA

Nić DNA 1: nić antysensowna (przepisywana) → nić RNA (sensowna)
Nić DNA 2: nić sensowna

Niektóre regiony w dwuniciowej cząsteczce DNA kodują geny , które są zwykle instrukcjami określającymi kolejność, w jakiej aminokwasy są składane w celu wytworzenia białek, a także sekwencje regulatorowe, miejsca splicingu , niekodujące introny i inne produkty genów . Aby komórka wykorzystała te informacje, jedna nić DNA służy jako matryca do syntezy komplementarnej nici RNA . Transkrybowana nić DNA nazywana jest nicią matrycową z sekwencją antysensowną, a wytworzony z niej transkrypt mRNA jest określany jako sekwencja sensowna (dopełnienie antysensownej). Mówi się, że nietranskrybowana nić DNA, komplementarna do transkrybowanej nici, ma również sekwencję sensowną; ma taką samą sekwencję sensowną jak transkrypt mRNA (chociaż zasady T w DNA są zastąpione zasadami U w RNA).

3′CGCTTATAGCGTTT 5′ Antysensowna nić DNA (szablon/niekodująca) Używany jako szablon do transkrypcji.
5′GCGATTCCGCAAA 3′ Nić sensowna DNA (nie szablonowa/kodująca) Komplementarny do nici szablonu.
5′GCGAUAUCGCAAA 3′ Transkrypcja sensowna mRNA Nić RNA, która jest transkrybowana z nici niekodującej (matryca/antysens). Uwaga 1 : Z wyjątkiem faktu, że wszystkie tyminy są teraz uracylami ( T → U ), są one komplementarne do niekodującej (matrycowej/antysensownej) nici DNA i identyczne z kodującą (niematrycową/sensowną) nicią DNA.
3′CGCUAUAGCGUUU 5′ Antysensowny transkrypt mRNA Nić RNA, która jest transkrybowana z nici kodującej (niematrycowej/sensownej). Uwaga: Z wyjątkiem tego, że wszystkie tyminy są teraz uracylami ( T → U ), są one komplementarne do kodującej (niematrycowej/sensownej) nici DNA i identyczne z niekodującą (matrycową/antysensowną) nicią DNA.

Nazwy przypisane do każdej nici w rzeczywistości zależą od tego, w którym kierunku piszesz sekwencję zawierającą informacje dla białek (informacje „sensowne”), a nie od tego, która nić jest przedstawiona jako „na górze” lub „na dole” (co jest arbitralne). Jedyną informacją biologiczną, która jest ważna dla znakowania nici, jest względne położenie końcowej grupy fosforanowej 5' i końcowej grupy hydroksylowej 3' (na końcach danej nici lub sekwencji), ponieważ te końce określają kierunek transkrypcji i tłumaczenie. Sekwencja zapisana jako 5′-CGCTAT-3′ jest równoważna z sekwencją zapisaną jako 3′-TATCGC-5′ tak długo, jak zapisane są końce 5′ i 3′. Jeśli końce nie są oznaczone, konwencją jest założenie, że obie sekwencje są zapisane w kierunku od 5′ do 3′. „Włóczka Watsona” odnosi się do górnej nici 5′ do 3′ (5′→3′), podczas gdy „nitka Cricka” odnosi się do dolnej nici 5′ do 3′ (3′←5′). Zarówno nici Watsona, jak i Cricka mogą być niciami sensownymi lub antysensownymi, w zależności od wytworzonego z nich konkretnego produktu genu.

Na przykład notacja „YEL021W”, alias genu URA3 używanego w bazie danych National Center for Biotechnology Information (NCBI), oznacza, że ​​ten gen znajduje się w 21. otwartej ramce odczytu (ORF) z centromeru lewego ramienia ( L) chromosomu drożdży (Y) o numerze V (E) i że nić kodująca ekspresję jest nicią Watsona (W). „YKL074C” oznacza 74. ORF na lewo od centromeru chromosomu XI i że nić kodująca to nić Cricka (C). Inny mylący termin odnoszący się do nici „plus” i „minus” jest również szeroko stosowany. Niezależnie od tego, czy nić jest sensowna (dodatnia) czy antysensowna (ujemna), domyślną sekwencją zapytania w dopasowaniu NCBI BLAST jest nić „Plus”.

Ambisense

Mówi się, że jednoniciowy genom, który jest używany zarówno w sensie dodatnim, jak i ujemnym, jest ambisensowny . Niektóre wirusy mają ambisensowne genomy. Bunyawirusy mają trzy jednoniciowe fragmenty RNA (ssRNA), niektóre z nich zawierają sekcje zarówno o pozytywnym, jak i negatywnym sensie; arenawirusy są również wirusami ssRNA z genomem ambisensownym, ponieważ mają trzy fragmenty, które są głównie sensowne, z wyjątkiem części końców 5' dużych i małych segmentów ich genomu.

Antysensowne RNA

Sekwencja RNA, która jest komplementarna do endogennego transkryptu mRNA, jest czasami nazywana „ antysensownym RNA ”. Innymi słowy, jest to niekodująca nić komplementarna do kodującej sekwencji RNA; jest to podobne do wirusowego RNA o negatywnym znaczeniu. Gdy mRNA tworzy dupleks z komplementarną antysensowną sekwencją RNA, translacja jest blokowana. Proces ten jest związany z interferencją RNA . Komórki mogą naturalnie wytwarzać antysensowne cząsteczki RNA, zwane mikroRNA , które oddziałują z komplementarnymi cząsteczkami mRNA i hamują ich ekspresję . Koncepcję tę wykorzystano również jako technikę biologii molekularnej poprzez sztuczne wprowadzenie transgenu kodującego antysensowne RNA w celu zablokowania ekspresji genu będącego przedmiotem zainteresowania. Znakowany radioaktywnie lub fluorescencyjnie antysensowny RNA może być użyty do wykazania poziomu transkrypcji genów w różnych typach komórek.

Niektóre alternatywne antysensowne typy strukturalne zostały eksperymentalnie zastosowane jako terapia antysensowna . W Stanach Zjednoczonych Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła antysensowne oligonukleotydy fosforotionianowe fomivirsen (Vitravene) i mipomersen (Kynamro) do użytku terapeutycznego u ludzi.

Sens RNA w wirusach

W wirusologii termin „sens” ma nieco inne znaczenie. Można powiedzieć, że genom wirusa RNA jest albo dodatni , znany również jako „nić dodatnia ”, albo ujemny , znany również jako „nić minusowa”. W większości przypadków terminy „sens” i „nić” są używane zamiennie, co sprawia, że ​​terminy takie jak „nić dodatnia” są równoważne z „nić dodatnia” i „nić plus” są równoważne z „nić plus”. Podstawą klasyfikacji wirusów może być to, czy genom wirusowy ma sens pozytywny czy negatywny.

Pozytywny sens

Sensownym ( 5 ' -to- 3' ) wirusowe RNA oznacza, że dana sekwencja wirusowego RNA może być bezpośrednio tłumaczone do białek wirusowych (na przykład takie, które są niezbędne dla replikacji wirusowej). Dlatego w przypadku wirusów RNA o dodatnim znaczeniu wirusowy genom RNA może być uważany za wirusowy mRNA i może być natychmiast tłumaczony przez komórkę gospodarza. W przeciwieństwie do ujemnego RNA, dodatni RNA ma taki sam sens jak mRNA. Niektóre wirusy (np. Coronaviridae ) mają genomy o dodatnim znaczeniu, które mogą działać jako mRNA i być używane bezpośrednio do syntezy białek bez pomocy komplementarnego produktu pośredniego RNA. Z tego powodu wirusy te nie muszą mieć polimerazy RNA upakowanej w wirionie — polimeraza RNA będzie jednym z pierwszych białek wytwarzanych przez komórkę gospodarza, ponieważ jest ona potrzebna do replikacji genomu wirusa.

Negatywny sens

Negatywnie sensowny (3'-do-5') wirusowy RNA jest komplementarny do wirusowego mRNA, a zatem dodatni RNA musi być wytworzony przez zależną od RNA polimerazę RNA przed translacją. Podobnie jak DNA, RNA o sensie ujemnym ma sekwencję nukleotydową komplementarną do kodowanego przez siebie mRNA; podobnie jak DNA, ten RNA nie może być bezpośrednio przetłumaczony na białko. Zamiast tego musi najpierw zostać przepisany na dodatni RNA, który działa jak mRNA. Niektóre wirusy (np. wirusy grypy ) mają genomy o negatywnym sensie, a zatem muszą przenosić polimerazę RNA wewnątrz wirionu.

Oligonukleotydy antysensowne

Wyciszanie genu można osiągnąć przez wprowadzenie do komórek krótkiego „oligonukleotydu antysensownego”, który jest komplementarny do docelowego RNA. Eksperyment ten został po raz pierwszy przeprowadzony przez Zamecnika i Stephensona w 1978 roku i nadal jest użytecznym podejściem, zarówno do eksperymentów laboratoryjnych, jak i potencjalnie do zastosowań klinicznych ( terapia antysensowna ). Kilka wirusów, takich jak wirusy grypy, syncytialny wirus oddechowy (RSV) i koronawirus SARS (SARS-CoV), zostało namierzonych za pomocą antysensownych oligonukleotydów w celu zahamowania ich replikacji w komórkach gospodarza.

Jeśli antysensowny oligonukleotyd zawiera odcinek DNA lub naśladujący DNA (DNA fosforotionianowe, 2′F-ANA lub inne), może rekrutować RNazę H do degradacji docelowego RNA. To sprawia, że ​​mechanizm wyciszania genów jest katalityczny. Dwuniciowy RNA może również działać jako katalityczny, zależny od enzymów czynnik antysensowny na szlaku RNAi / siRNA , obejmujący rozpoznawanie docelowego mRNA przez parowanie sensownej nici antysensownej, a następnie degradację docelowego mRNA przez kompleks wyciszający indukowany RNA (RISC). System hok/sok plazmidu R1 stanowi jeszcze inny przykład procesu regulacji antysensu zależnego od enzymu poprzez enzymatyczną degradację powstałego dupleksu RNA.

Inne mechanizmy antysensowne nie są zależne od enzymów, ale obejmują blokowanie steryczne docelowego RNA (np. w celu zapobieżenia translacji lub wywołania alternatywnego splicingu). Antysensowne mechanizmy blokowania sterycznego często wykorzystują silnie zmodyfikowane oligonukleotydy. Ponieważ nie ma potrzeby rozpoznawania RNazy H, może to obejmować chemię, taką jak 2'-O-alkil, kwas peptydonukleinowy (PNA), zablokowany kwas nukleinowy (LNA) i oligomery Morfolino .

Zobacz też

Bibliografia