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国自然热点:可变剪切该如何研究

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来源:青椒医学

一、可变剪切是什么?

可变剪切(Differential splicing),也叫选择性剪切(Alternative splicing),是真核生物基因表达调控中的一个重要环节,涉及到预 mRNA(前体信使 RNA)的加工过程。这一过程使得单一的基因能够产生多种蛋白质,极大地增加了蛋白质的多样性和细胞功能的复杂性。

以下是对可变剪切的概念、原理和机制的详细介绍:

概念

可变剪切是指在前体 mRNA 转录后的加工过程中,不同的剪切选择导致了不同的外显子(即编码蛋白质的基因片段)被包括或排除,形成多种成熟 mRNA 剪切异构体。这些不同的 mRNA 异构体最终被翻译成结构和功能不同的蛋白质。

原理

在基因转录过程中,基因的 DNA 序列被转录成前体 mRNA。前体 mRNA 包含编码序列(外显子)和非编码序列(内含子)。在成熟 mRNA 形成之前,内含子需要从前体 mRNA 中移除,而外显子则连接在一起。可变剪切涉及到在这个剪切过程中作出选择性的决策,即决定哪些外显子被保留或剔除。

机制

剪切体系: 剪切是由剪切体(spliceosome)完成的,剪切体是由多个小核糖核蛋白(snRNP)和其他蛋白质组成的复杂机器。这些组分协同作用,识别前体 mRNA 上的特定序列,执行剪切反应。

调控因子: 可变剪切的特异性由多种调控蛋白(如剪切增强子和剪切抑制子)控制,这些蛋白能够识别特定的序列并促进或抑制剪切的发生。

选择性剪切: 根据细胞类型、发展阶段或环境条件,剪切可以是选择性的,使得同一基因在不同情境下可以产生不同的蛋白质。

应用

可变剪切在许多生物学过程中扮演着关键角色,包括细胞分化、器官发育和疾病发生。对其机制的研究不仅有助于理解基因表达的复杂性,还可能对疾病治疗,特别是遗传性疾病和癌症的治疗提供新的策略。

这一领域的研究在不断进展,随着高通量测序和生物信息学技术的发展,科学家们能更深入地探索不同条件下的可变剪切模式,为疾病诊断和治疗提供更精确的生物标记和治疗靶点。

二、研究方法

可变剪切的研究涉及多种技术手段和检测指标,以解析其复杂的生化途径和调控机制。以下是一些关键的研究方法和技术:

1. RNA 测序 (RNA-seq)

RNA 测序是一种高通量的技术,可以在单次实验中从整个转录组中获取大量的读段。通过对这些读段进行比对和重建,研究者可以识别出大量的可变剪切事件,包括那些以前未被发现的新剪切形式。RNA-seq 数据可以用来分析可变剪切模式的变化,比如在不同组织、发育阶段或疾病状态下的差异。

2. 外显子芯片 (Exon Arrays)

外显子芯片是一种基于芯片的方法,设计有覆盖基因外显子的探针。通过分析芯片上的杂交信号,可以定量地检测特定外显子的包含与否,进而推断可能的剪切模式。尽管它的分辨率不如 RNA-seq,但外显子芯片仍然是分析特定条件下可变剪切事件的一个有用工具。

3. 核糖体剖面 (Ribosome Profiling)

核糖体剖面是一种先进的技术,通过测定核糖体保护的 mRNA 片段来确定哪些 mRNA 正在被翻译。这种方法可以用来检测因可变剪切而产生的不同蛋白质产物,从而更好地理解可变剪切在蛋白质层面的功能影响。

4. 生物信息学分析

随着高通量测序技术的普及,生物信息学在可变剪切分析中扮演着越来越重要的角色。使用专门的算法和软件(如 TopHat, SpliceSeq 等)可以从复杂的数据集中鉴定和量化剪切事件,同时预测剪切调控元件。

三、结果分析

下面我们来举 2 个例子带大家一键看懂可变剪切实验结果。

1. Minigene 实验显示 SRRM2 敲低改变 FES 和 SH3BP2 两个基因剪接模式(PMID:35929045,Nucleic Acids Research,中科院一区,IF:14.9)

这幅图显示了 SRRM2 敲除对 FES 和 SH3BP2 两个基因剪接模式的影响。实验使用了转染了对照(SCR)和 SRRM2 敲除(sh1、sh2)的 HEK293T 细胞,并通过 RT-PCR 来可视化微小基因的剪接模式。

如何分析这些凝胶图像:

a.识别条带:

每个凝胶图像显示了几个条带,这些条带代表不同的剪接变体。这些条带的强度和存在与样品间有所不同,表明剪接效率的差异以及形成的剪接变体类型的差异。

b.比较对照组和敲除样本:

FES 基因:

在对照组(SCR)中,可以看到两个明显的条带,表明有两个主要的剪接变体。在 SRRM2 敲除组(sh1、sh2)中,这两个条带的一个或两个强度有所减弱,这表明 SRRM2 的敲除影响了这些剪接变体的形成。

SH3BP2 基因:

对照组(SCR)同样展示了两个主要条带。SRRM2 敲除样本中这两个条带的模式改变了,特别是在 sh2 样本中,某些条带的强度明显改变,这可能表明剪接机制的显著变化。

2. CLIP-seq 显示 YBX1 导致多基因外显子跳跃的错误剪切。(PMID:36943004,Embo J,中科院一区,IF:11.4)

这张图展示了 CLIP-seq(Cross-linking and immunoprecipitation followed by sequencing)数据,用以分析 YBX1 蛋白与多个基因的 RNA 相互作用,以及这些相互作用如何影响外显子的剪切,特别是外显子跳跃(exon skipping)。

每个基因(Fn1-SE, Nrp2-SE, Sp7-SE, Sirt2-SE, 和 Spp1-SE)都有相应的图表:

蓝色条代表基因的编码区域,即外显子。

红色峰值表示 YBX1 蛋白在 RNA 上的结合位点,其强度反映了结合的密集程度。

分析方法:

识别重要区域:每张图中虚线区域表示外显子跳跃的位置

a.理解结合模式的影响:

通过比较有无 YBX1 结合的区域,可以推断 YBX1 结合的存在与否如何影响相邻外显子的包含或排除。例如,如果某个结合峰位于两个外显子之间的内含子上,YBX1 的存在可能促使这一区域的 RNA 不被剪切,从而导致外显子跳跃。

b.对比不同基因的响应:

观察不同基因如 Fn1 和 Spp1 在 YBX1 结合后剪接模式的变化。Spp1 的 CLIP 信号异常高,可能表明 YBX1 对该基因的剪接调控作用非常显著。

四、国自然中标统计

2023 年医学科学部「可变剪切」中标项目热度逐渐攀升

总而言之, 可变剪切作为一个在基因表达调控中极为关键的过程,其研究不仅增进了我们对生物多样性和细胞功能复杂性的理解,还为疾病诊断和治疗提供了新的视角和方法。通过不断发展的技术如 RNA-seq 和 CLIP-seq,科学家们能够更深入地探索可变剪切的机制和功能,发现新的生物标记和治疗靶点。随着高通量技术的进步和生物信息学的应用,可变剪切的研究正在迎来新的发展阶段,有望在未来在精准医疗和个性化治疗中发挥更大的作用。

2024 年度国自然医学部 50 大科研热点中标数统计如下:

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