Tajemství komplexu menších spliceozomů

V lidských buňkách se k produkci proteinů používá pouze malá část informací zapsaných v genech. Jak buňka vybere ty správné informace? Velký molekulární stroj zvaný spliceozom nepřetržitě odděluje kódující a nekódující oblasti našich genů – a dělá to, i když čtete tyto řádky. Výzkumníci z Galej Group v EMBL Grenoble nedávno poskytli nové poznatky o struktuře minoritního spliceozomu, esenciálního komplexu RNA-protein.

spliceozomu, esenciálního komplexu RNA-protein.

Lidské geny, které kódují proteiny, často obsahují nekódující segmenty známé jako introny. Odstranění intronů je klíčové pro správnou expresi genetické informace. Pochopení toho, jak naše buňky rozlišují mezi kódujícím a nekódujícím genetickým materiálem, je zásadní pro lidské zdraví. Specializovaný molekulární komplex zvaný minoritní spliceozom odstraňuje některé vzácné, ale kritické introny a s jeho dysfunkcí je spojeno několik genetických poruch. Vědecká skupina Galej v EMBL Grenoble odhalila strukturu jedné z podjednotek spliceozomu U11 snRNP, která iniciuje proces výběru intronu.

Co je to spliceozom

Spliceozom je velký ribonukleoproteinový komplex, především v jádře eukaryotických buněk. Je tvořen částicemi snRNP (small nuclear RiboNucleoProtein – malý jaderný ribonukleoprotein), které jsou složené z molekul snRNA (small nuclear RiboNucleic Acid – malá jaderná RNA) a různých proteinů. Je to tedy drobná jaderná organela, která se podílí na genové expresi. Katalyzuje splicing (sestřih), kterým z pre-mRNA odstraňuje introny (nekódující sekce) a propojuje exony (kódující sekce). Spliceozom se proto podílí na zrání pre-mRNA na mRNA, která je šablonou pro tvorbu bílkovin. Sestřih si lze představit jako filmový střih, který z původního natočeného filmu selektivně vystřihne irelevantní nebo nesprávný materiál (ekvivalent intronů) a pošle vyčištěnou verzi k finálnímu zpracování (ekvivalent exonu) (zdroj: Wikipedia).

Spliceozom je kritický pro správné fungování každé buňky

Četné genetické poruchy jsou spojeny s problémy s funkcí spliceozomu. Ve většině eukaryotických buněk fungují dva typy spliceozomů: hlavní spliceozom a menší spliceozom.

Skupina vědců Galej v EMBL Grenoble nedávno zveřejnila nové strukturální poznatky o funkci minoritních spliceozomů v deníku Molekulární buňka.

Hlavní spliceozom je hojný v buňkách a byl rozsáhle zkoumán již více než čtyři desetiletí. Jeho dlouho oddělené dvojče – menší spliceozom je mnohem vzácnější a zůstává záhadné, i když jeho funkce je stejně důležitá. V této nové studii vědci odhalují strukturu U11 snRNP – jedné z pěti podjednotek minoritního spliceozomu, která iniciuje proces selekce intronu.

Sešívání genových kousků dohromady

Spliceozomy pomáhají buňkám odstraňovat velké kusy nekódující genetické informace – nazývané introny – z prekurzorů messenger RNA (pre-mRNA), molekuly odpovědné za přenos genetické informace z DNA do proteinů. Spliceozomy fungují jako editační nástroj, který pomáhá porozumět fragmentovaným zprávám uloženým v pre-mRNA.

Většina genů má mnoho intronů, které patří do jedné třídy – hlavní introny, které jsou odstraněny hlavním spliceozomem. Přibližně 0,5 % intronů však patří do jiné třídy – minoritní introny, které jsou zpracovány minoritním spliceozomem.

„Tyto minoritní introny jsou velmi vzácné, ale extrémně důležité, protože se často nacházejí v genech nezbytných pro podporu života“, řekl Jiangfeng Zhao, postdoktorand ve skupině Galej a první autor studie.

Spliceozomy jsou velké a dynamické komplexy RNA-protein. Hlavní spliceozom se skládá z pěti podjednotek, malých jaderných ribonukleoproteinových částic U1, U2, U4, U6 a U5 (snRNP, čtěte „snurps”) – a asi 150 proteinů, které se účastní různých fází procesu sestřihu. Menší spliceozom má podobnou architekturu, ale jeho hlavní stavební bloky jsou odlišné (U11, U12, U4atac, U6atac a U5 snRNP). Jak přesně se tyto bloky sestavují, aby vytvořily menší spliceozom a pomohly mu plnit jeho funkci, zůstává nejasné.

Struktury velkých molekulárních strojů je notoricky obtížné určit kvůli jejich vnitřní dynamické povaze. To platí ještě více pro molekulární stroje, které jsou v buňkách vzácné, jako je právě minoritní spliceozom. „Jednou z největších výzev při studiu tohoto komplexu bylo přijít na to, jak jej selektivně vyčistit z celého obsahu buněk“, dodal Zhao. „Jakmile se nám to podařilo, trvalo ještě několik let optimalizace, než byl komplex zachován neporušený za podmínek zobrazování.”

Dlouho oddělená dvojčata: na křižovatce evoluce

Vedoucí EMBL Grenoble Group Wojciech Galej, který pracuje na sestřihovém aparátu pre-mRNA více než 15 let, se poprvé rozhodl zaměřit na minor spliceozom před sedmi lety. Pro projekt získal ERC Starting Grant v roce 2020. Zhao v roce 2023 získal studijní grant Marie Skłodowské-Curie.

Když Galej Group zahájila projekt, o menším spliceozomu bylo známo jen málo a dokonce i nyní jen hrstka výzkumných skupin provádí strukturální studie tohoto komplexu RNA-protein.

„Hlavní a vedlejší spliceozomy jsou evolučně příbuzné, ale pokud víme, poslední společný předek všech eukaryot s největší pravděpodobností již měl oba typy spliceozomů“, řekl Wojciech Galej, autor studie. „To znamená, že se rozcházely před více než 1,5 miliardami let, což je časové měřítko velmi obtížné pro představu.”

Pomocí biochemie a kryo-elektronové mikroskopie

Vědci získali strukturu komplexu U11 snRNP a odhalili, jak rozpoznává místo sestřihu – výchozí bod intronu – pro zahájení procesu úprav na tomto přesném místě.

Výsledky ukazují, že architektura U11 snRNP se nápadně liší od architektury U1 snRNP, odpovídající podjednotky hlavního spliceozomu. „Odlišná a složitější architektura umožňuje U11 snRNP specificky identifikovat své vzácné substráty v rozsáhlém prostředí sekvencí RNA každé buňky“, vysvětlil Zhao. „Je to jako najít jehlu v kupce sena.”

Definovat, kde začít vystřihovat introny, je jen prvním krokem v cestě komplexního sestavení spliceozomu. Než sestřihová reakce skončí, je zapotřebí nejméně tucet dalších kroků. O tom, jak minoritní spliceozom prochází těmito mezikroky, není mnoho známo.

„Byl to náročný projekt a na této cestě děláme pokrok, což je povzbudivé, ale o menším spliceozomu stále nevíme dost“, řekl Zhao. „Naše práce poskytuje vzrušující nové pohledy na mechanismus rozpoznávání menších intronů a vrhá světlo na vývoj sestřihového aparátu. Otevírá nové možnosti pro studium dalších minoritních spliceozomových komplexů,“ řekl Galej. „Naším dlouhodobým cílem je pochopit, jak celá tato dráha funguje na molekulární úrovni, a doufáme, že tato i budoucí práce přispěje k lepšímu pochopení molekulárního základu genetických poruch spojených se složkami minoritního spliceozomu. To by nakonec mohlo vést k novým terapeutickým aplikacím.”

 Zdrojový článek

Zhao J., a kol., Struktura minoritního spliceozomálního U11 snRNP, Molekulární buňka, zveřejněno 13. ledna 2025, DOI: 10.1016/j.molcel.2024.12.017