Смысл (молекулярная биология) - Sense (molecular biology)

В молекулярная биология и генетика, то смысл из нуклеиновая кислота молекула, в частности, цепи ДНК или же РНК, относится к природе ролей нити и ее дополнять в указании последовательности аминокислоты. В зависимости от контекста смысл может иметь несколько разные значения. Например, ДНК имеет положительный смысл, если версия РНК той же последовательности транслируется или транслируется в белок, и отрицательный смысл, если нет.

Чувство ДНК

Из-за дополнительный природа спаривание оснований между полимерами нуклеиновых кислот, двухцепочечная молекула ДНК будет состоять из двух цепей с последовательностями, которые являются обратными комплементами друг друга. Чтобы помочь молекулярным биологам конкретно идентифицировать каждую нить индивидуально, две нити обычно различают как «смысловую» и «антисмысловую» цепь. Отдельная цепь ДНК называется положительный смысл (также положительный (+) или просто смысл) если это нуклеотидная последовательность соответствует непосредственно последовательности РНК стенограмма который переведено или переводится в последовательность аминокислоты (при условии, что любой тимин основания в последовательности ДНК заменяются на урацил оснований в последовательности РНК). Другая цепь двухцепочечной молекулы ДНК называется отрицательный смысл (также отрицательный (-) или же антисмысловой) и обратно комплементарен как положительно-смысловой цепи, так и транскрипту РНК. На самом деле это антисмысловая цепь, которая используется в качестве шаблона, из которого РНК-полимеразы сконструировать РНК-транскрипт, но комплементарное спаривание оснований, при котором происходит полимеризация нуклеиновой кислоты, означает, что последовательность РНК-транскрипта будет выглядеть идентичной смысловой цепи, за исключением того, что в РНК-транскрипте используется урацил вместо тимина.

Иногда фразы кодирующая нить и шаблон прядь встречаются вместо смыслового и антисмыслового, соответственно, и в контексте двухцепочечной молекулы ДНК использование этих терминов по существу эквивалентно. Однако кодирующая / смысловая цепь не всегда должна содержать код, который используется для создания белка; как кодирующие белок, так и некодирующие РНК можно переписать.

Термины «смысл» и «антисмысловой» относятся только к конкретному рассматриваемому транскрипту РНК, а не к цепи ДНК в целом. Другими словами, любая цепь ДНК может служить смысловой или антисмысловой цепью. Большинство организмов с достаточно большими геномами используют обе цепи, каждая из которых функционирует как матричная цепь для различных транскриптов РНК в разных местах одной и той же молекулы ДНК. В некоторых случаях транскрипты РНК могут транскрибироваться в обоих направлениях (то есть на любой цепи) из общей промоутер региона, или быть расшифровано изнутри интроны на любой пряди (см. «амбисенс» ниже).[1][2][3]

Антисмысловая ДНК

Чувствительная нить ДНК выглядит как информационная РНК (мРНК), и поэтому может использоваться для чтения ожидаемого кодон последовательность, которая в конечном итоге будет использоваться во время перевод (синтез белка) для построения аминокислотной последовательности, а затем белка. Например, последовательность «ATG» в смысловой цепи ДНК соответствует кодону «AUG» в мРНК, которая коды для аминокислоты метионин. Однако сама смысловая цепь ДНК не используется в качестве матрицы для мРНК; именно антисмысловая цепь ДНК служит источником белкового кода, поскольку с основаниями, комплементарными смысловой цепи ДНК, она используется в качестве матрицы для мРНК. С транскрипция приводит к продукту РНК, комплементарному цепи матрицы ДНК, мРНК комплементарна антисмысловой цепи ДНК.

Схема, показывающая, как антисмысловые цепи ДНК могут мешать трансляции белка

Следовательно, триплет оснований 3'-TAC-5 'в антисмысловой цепи ДНК (комплементарный 5'-ATG-3' смысловой цепи ДНК) используется в качестве матрицы, что приводит к 5'-AUG-3 ' триплет оснований в мРНК. Смысловая цепь ДНК будет иметь триплет ATG, который похож на триплет AUG мРНК, но не будет использоваться для производства метионина, потому что он не будет напрямую использоваться для создания мРНК. Смысловая цепь ДНК называется «смысловой» цепью не потому, что она будет использоваться для производства белка (это не будет), а потому, что она имеет последовательность, которая непосредственно соответствует последовательности кодона РНК. По этой логике сам транскрипт РНК иногда описывается как «смысл».

Пример с двухцепочечной ДНК

Нить ДНК 1: антисмысловая цепь (записано в) → Нить РНК (смысл)
Нить ДНК 2: смысловая цепь

Некоторые области внутри двухцепочечной молекулы ДНК кодируют гены, которые обычно представляют собой инструкции, определяющие порядок, в котором аминокислоты собираются для образования белков, а также регуляторные последовательности, сращивание сайты, некодирующие интроны, и другие генные продукты. Чтобы клетка могла использовать эту информацию, одна цепь ДНК служит шаблоном для синтеза комплементарной цепи РНК. Транскрибируемая цепь ДНК называется цепочкой-матрицей с антисмысловой последовательностью, а полученный из нее транскрипт мРНК называется смысловой последовательностью (комплемент антисмысловой последовательности). Считается, что нетранскрибируемая цепь ДНК, комплементарная транскрибированной цепи, имеет смысловую последовательность; он имеет ту же смысловую последовательность, что и транскрипт мРНК (хотя основания Т в ДНК заменены основаниями U в РНК).

3′CGCTATAGCGTTT 5 ′Антисмысловая цепь ДНК (шаблон / без кодирования)Используется как шаблон для транскрипции.
5′GCGATATCGCAAA 3 ′Смысловая нить ДНК (без шаблона / кодирования)Дополняет прядь шаблона.
5′GCGAUAUCGCAAA 3 ′смысловой транскрипт мРНКНить РНК, которая транскрибируется с некодирующей (матричной / антисмысловой) цепи. Примечание1: За исключением того, что все тимины теперь урацилы (Т → U), это дополнительный к некодирующей (матричной / антисмысловой) цепи ДНК и идентичный к кодирующей (не шаблонной / смысловой) цепи ДНК.
3′CGCUAUAGCGUUU 5 ′антисмысловой транскрипт мРНКНить РНК, которая транскрибируется с кодирующей (не шаблонной / смысловой) цепи. Примечание: за исключением того факта, что все тимины теперь являются урацилами (Т → U), это дополнительный к кодирующей (не шаблонной / смысловой) цепи ДНК и идентичный к некодирующей (матричной / антисмысловой) цепи ДНК.

Имена, присвоенные каждой нити, фактически зависят от того, какие направление вы пишете последовательность, которая содержит информацию о белках («смысловую» информацию), а не то, какая цепь изображена как «вверху» или «внизу» (что произвольно). Единственная биологическая информация, которая важна для маркировки цепей, - это относительное расположение концевой 5'-фосфатной группы и концевой 3'-гидроксильной группы (на концах рассматриваемой цепи или последовательности), поскольку эти концы определяют направление транскрипции и перевод. Последовательность, записанная 5'-CGCTAT-3 ', эквивалентна последовательности, записанной 3'-TATCGC-5', если отмечены концы 5 'и 3'. Если концы не помечены, предполагается, что обе последовательности написаны в направлении от 5'-к-3 '. «Нить Ватсона» относится к верхней нити 5'-3'(5 '→ 3'), тогда как «Криковская цепочка» относится к нижней нити 5'-к-3 '(3' ← 5 ').[4] И цепи Watson, и цепи Крика могут быть смысловыми или антисмысловыми цепями, в зависимости от конкретного генного продукта, полученного из них.

Например, обозначение «YEL021W», псевдоним гена URA3, используемого в Национальный центр биотехнологической информации (NCBI), означает, что этот ген находится в 21-м открытая рамка чтения (ORF) из центромеры левого плеча (L) хромосомы дрожжей (Y) с номером V (E), и что кодирующая цепь экспрессии является цепью Ватсона (W). «YKL074C» обозначает 74-ю ORF слева от центромеры хромосомы XI, и что кодирующая цепь является цепью Крика (C). Другой сбивающий с толку термин, относящийся к «плюсовой» и «минусовой» цепям, также широко используется. Независимо от того, является ли цепь смысловой (положительной) или антисмысловой (отрицательной), запросной последовательностью по умолчанию при выравнивании NCBI BLAST является «Плюс».

Амбисенс

Одноцепочечный геном, который используется как в положительном, так и в отрицательном смысле, называется амбисенс. Некоторые вирусы имеют амбисенсный геном. Буньявирусы иметь три фрагмента одноцепочечной РНК (оцРНК), некоторые из которых содержат как положительно-смысловые, так и отрицательно-смысловые участки; аренавирусы также являются ssRNA-вирусами с амбисенсным геномом, поскольку они имеют три фрагмента, которые в основном имеют отрицательный смысл, за исключением части 5'-концов большого и малого сегментов их генома.

Антисмысловая РНК

Основная статья: Антисмысловая РНК

Последовательность РНК, комплементарная эндогенный транскрипт мРНК иногда называют "антисмысловая РНК Другими словами, это некодирующая цепь, комплементарная кодирующей последовательности РНК; это похоже на вирусную РНК с отрицательным смыслом. Когда мРНК образует дуплекс с комплементарной антисмысловой последовательностью РНК, трансляция блокируется. Этот процесс блокируется. относится к РНК-интерференция. Клетки могут естественным образом продуцировать молекулы антисмысловой РНК, называемые микроРНК, которые взаимодействуют с комплементарными молекулами мРНК и ингибируют их выражение. Эта концепция также использовалась в качестве метода молекулярной биологии путем искусственного введения трансген кодирование антисмысловой РНК для блокирования экспрессии интересующего гена. Радиоактивно или флуоресцентно меченая антисмысловая РНК может использоваться для демонстрации уровня транскрипции генов в различных типах клеток.

Немного альтернативные антисмысловые структурные типы были экспериментально применены как антисмысловая терапия. В Соединенных Штатах Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) одобрило фосфоротиоатные антисмысловые олигонуклеотиды. Fomivirsen (Витравен)[5] и Мипомерсен (Кинамро)[6] для терапевтического использования человеком.

Смысл РНК в вирусах

В вирусология, термин «смысл» имеет несколько иное значение. Геном РНК-вирус можно сказать, что это либо положительный смысл, также известный как "плюс-прядь", или отрицательный смысл, также известный как «минус-прядь». В большинстве случаев термины «смысл» и «нить» используются взаимозаменяемо, делая такие термины, как «положительная цепь» эквивалентными «положительному значению», и «положительная цепь», эквивалентными «положительному значению». Будь вирусный геном имеет положительный или отрицательный смысл, может использоваться в качестве основы для классификации вирусов.

Позитивный смысл

Основная статья: Одноцепочечный РНК-вирус с положительным смыслом

Позитивный смысл (5′ -к-3′ ) вирусная РНК означает, что конкретная последовательность вирусной РНК может быть непосредственно переведено в вирусные белки (например, необходимые для репликации вируса). Следовательно, в вирусах с положительной РНК геном вирусной РНК можно рассматривать как вирусную мРНК и может немедленно транслироваться клеткой-хозяином. В отличие от РНК с отрицательным смыслом, РНК с положительным смыслом имеет тот же смысл, что и мРНК. Некоторые вирусы (например, Coronaviridae ) имеют геномы с положительным смыслом, которые могут действовать как мРНК и использоваться непосредственно для синтеза белков без помощи комплементарного промежуточного соединения РНК. Поэтому этим вирусам не требуется РНК-полимераза упакован в вирион - РНК-полимераза будет одним из первых белков, продуцируемых клеткой-хозяином, поскольку она необходима для репликации генома вируса.

Отрицательный смысл

Основная статья: Одноцепочечный РНК-вирус с отрицательным смыслом

Вирусная РНК с отрицательным смыслом (3'-к-5 ') комплементарна вирусной мРНК, таким образом, РНК с положительным смыслом должна производиться РНК-зависимая РНК-полимераза от него до перевода. Подобно ДНК, РНК с отрицательным смыслом имеет нуклеотидную последовательность, комплементарную кодируемой ею мРНК; также как и ДНК, эта РНК не может быть напрямую транслирована в белок. Вместо этого его сначала необходимо транскрибировать в РНК с положительным смыслом, которая действует как мРНК. Некоторые вирусы (например, грипп вирусы) имеют геномы с отрицательным смыслом и поэтому должны нести РНК-полимеразу внутри вириона.

Антисмысловые олигонуклеотиды

Подавление гена может быть достигнуто путем введения в клетки короткого «антисмыслового олигонуклеотида», комплементарного РНК-мишени. Этот эксперимент был впервые проведен Замечником и Стивенсоном в 1978 году.[7] и продолжает оставаться полезным подходом как для лабораторных экспериментов, так и, возможно, для клинического применения (антисмысловая терапия ).[8] Несколько вирусов, например вирусы гриппа.[9][10][11][12] Респираторно-синцитиальный вирус (RSV)[9] и SARS коронавирус (SARS-CoV),[9] были нацелены с использованием антисмысловых олигонуклеотидов для ингибирования их репликации в клетках-хозяевах.

Если антисмысловой олигонуклеотид содержит участок ДНК или имитатор ДНК (фосфоротиоатная ДНК, 2'F-ANA или другие), он может привлекать РНКаза H разрушить целевую РНК. Это делает механизм сайленсинга генов каталитическим. Двухцепочечная РНК может также действовать как каталитический фермент-зависимый антисмысловой агент через РНКи /миРНК пути, включающего распознавание целевой мРНК посредством спаривания смысловой и антисмысловой цепей с последующей деградацией целевой мРНК РНК-индуцированный комплекс сайленсинга (RISC). Плазмида R1 система hok / sok представляет собой еще один пример фермент-зависимого процесса антисмысловой регуляции посредством ферментативной деградации полученного дуплекса РНК.

Другие антисмысловые механизмы не зависят от ферментов, но включают стерическое блокирование их РНК-мишени (например, для предотвращения трансляции или для индукции альтернативного сплайсинга). В антисмысловых механизмах стерического блокирования часто используются сильно модифицированные олигонуклеотиды. Поскольку нет необходимости в распознавании РНКазы H, она может включать химические соединения, такие как 2'-O-алкил, пептидная нуклеиновая кислота (PNA), заблокированная нуклеиновая кислота (LNA) и Морфолино олигомеры.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Анн-Лиз Хэнни (2003). «Стратегии экспрессии амбисенс-вирусов». Вирусные исследования. 93 (2): 141–150. Дои:10.1016 / S0168-1702 (03) 00094-7. PMID  12782362.
  2. ^ Какутани Т; Hayano Y; Хаяси Т; Минобе Ю. (1991). «Сегмент Ambisense 3 вируса рисовых полосок: первый экземпляр вируса, содержащий два сегмента ambisense». Дж. Ген Вирол. 72 (2): 465–8. Дои:10.1099/0022-1317-72-2-465. PMID  1993885.
  3. ^ Zhu Y; Hayakawa T; Toriyama S; Такахаши М. (1991). «Полная нуклеотидная последовательность РНК 3 вируса рисовых полосок: стратегия амбисенсного кодирования». Дж. Ген Вирол. 72 (4): 763–7. Дои:10.1099/0022-1317-72-4-763. PMID  2016591.
  4. ^ Картрайт, Рид; Дэн Граур (8 февраля 2011 г.). «Множественные личности Уотсона и Крика». Биология Директ. 6: 7. Дои:10.1186/1745-6150-6-7. ЧВК  3055211. PMID  21303550.
  5. ^ «FDA одобряет фомивирсен для цитомегаловируса». Healio. 1 октября 1998 г.. Получено 18 сентября 2020.
  6. ^ «FDA одобряет орфанные препараты для лечения наследственного холестеринового расстройства». Темы наркотиков. 30 января 2013 г.. Получено 18 сентября 2020.
  7. ^ Zamecnik, P.C .; Стивенсон, М. (1978). «Ингибирование репликации вируса саркомы Рауса и трансформации клеток специфическим олигодезоксинуклеотидом». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 75 (1): 280–284. Bibcode:1978PNAS ... 75..280Z. Дои:10.1073 / пнас.75.1.280. ЧВК  411230. PMID  75545.
  8. ^ Watts, J.K .; Кори, Д. (2012). «Заглушение генов болезней в лаборатории и в клинике». Дж. Патол. 226 (2): 365–379. Дои:10.1002 / путь.2993. ЧВК  3916955. PMID  22069063.
  9. ^ а б c Кумар, Бинод; Кханна, Мадху; Meseko, Clement A .; Саникас, Мелвин; Кумар, Прашант; Аша, Кумари; Аша, Кумари; Кумар, Прашант; Саникас, Мелвин (январь 2019). «Достижения в терапии на основе нуклеиновых кислот против респираторных вирусных инфекций». Журнал клинической медицины. 8 (1): 6. Дои:10.3390 / см 8010006. ЧВК  6351902. PMID  30577479.
  10. ^ Кумар, Бинод; Аша, Кумари; Кханна, Мадху; Ронсар, Ларанс; Месеко, Клемент Адебахо; Саникас, Мелвин (10.01.2018). «Возникающая угроза вируса гриппа: состояние и новые перспективы лечения и контроля». Архив вирусологии. 163 (4): 831–844. Дои:10.1007 / s00705-018-3708-у. ISSN  0304-8608. ЧВК  7087104. PMID  29322273.
  11. ^ Кумар, Прашант; Кумар, Бинод; Раджпут, Рупали; Саксена, Латика; Banerjea, Akhil C .; Кханна, Мадху (2 июня 2013 г.). «Перекрестный защитный эффект антисмыслового олигонуклеотида, разработанного против общего 3'-NCR генома вируса гриппа A». Молекулярная биотехнология. 55 (3): 203–211. Дои:10.1007 / s12033-013-9670-8. ISSN  1073-6085. PMID  23729285.
  12. ^ Kumar, B .; Кханна, Мадху; Kumar, P .; Суд, В .; Вяс, Р .; Банерджа, А. К. (09.07.2011). «Опосредованное нуклеиновыми кислотами расщепление гена M1 вируса гриппа A значительно усиливается антисмысловыми молекулами, нацеленными на гибридизацию вблизи сайта расщепления». Молекулярная биотехнология. 51 (1): 27–36. Дои:10.1007 / s12033-011-9437-z. ISSN  1073-6085. PMID  21744034.