انواع سیستم های پیرایشی RNA در موجودات زنده
همانطور که می دانید ژن های موجودات یوکاریوتی و برخی از پروکاریوتها از جمله آرکی باکتری ها گسسته (discontinuous) و دارای اینترون هستند که قطعات کد کننده ژنی (اگزون ها) را از هم جدا می کنند. باکتری ها فاقد اینترون و در نتیجه فاقد پیرایش هستند و رونوشت RNA آن ها مستقیما" بدون پیرایش و تغییر مهمی به پروتئین ترجمه می شود(شکل 1). البته رونوشت های حاصل از فعالیت RNA پلیمرازهای I و III (بجز رونوشت ژن های برخی از tRNA ها) نیز فاقد اینترون هستند. این ژنهای گسسته عبارتند از (تقریبا") تمامی ژن های کد کننده پروتئین در یوکاریوت ها، ژن های برخی rRNA ها در بعضی از یوکاریوت ها و ژن های بعضی از tRNA ها در یوکاریوت ها و برخی از پروکاریوت ها و بعضی از دیگر انواع ژن ها. RNA پیش ساز حاصل از اینگونه ژن ها همیشه پردازش می شود تا یک مولکول RNA بالغ را به وجود آورد. مراحل پردازش مولکولهای pre-mRNA یوکاریوتی عبارتند از:
1) کلاهک گذاری ‘5 (5’-capping)
2) پلی آدنیلاسیون انتهای ‘3 مولکول pre-mRNA
3) پیرایش RNA (حذف توالی های بینابینی-اینترون ها- و اتصال مجدد اگزون ها به هم)
کلاهک گذاری همیشه اولین مرحله پردازش RNA است و حتی قبل از تکمیل ساخت رونوشت RNA (بعد از سنتز حدود 25 نوکلئوتید توسط RNA پلیمرازII) اتفاق می افتد. پیرایش RNA در ضمن انجام رونویسی و در حین فعالیت RNA پلیمراز شروع می شود و معمولا اندکی پس از پایان رونویسی به اتمام می رسد. پلی آدنیلاسیون عبارت است از ایجاد برش در انتهای ‘3 رونوشت RNA و حذف چندین نوکلئوتید از آن انتها و سپس اضافه شدن حدود 80 تا 250 نوکلئوتید A به این انتها توسط آنزیم پلی A پلیمراز بدون نیاز به/ استفاده از الگو.
در یوکاریوت ها DNA در داخل هسته بوده و از روی آن پس از انجام مراحل پردازش مولکول های mRNA ساخته می شوند که سپس از هسته خارج شده و به سیتوزول می آیند تا به وسیله ریبوزوم ها به پروتئین ترجمه شوند. در پروکاریوت ها تمامی فرآیندها از DNA تا پروتئین در سیتوپلاسم باکتری اتفاق می افتند و پردازش RNA در آنها رخ نمی دهد.
چون هدف من در اینجا پرداختن به انواع سیستم های پیرایشی در موجودات زنده و سلول ها است، لذا پس از ذکر مقدمه ای مختصر که در بالا ارائه شد، به بحث اصلی می پردازم.
انواع سیستم ها و رویکردهای پیرایشی موجود، عبارتند از:
1- پیرایش RNA به وسیله پیرایشگر اصلی (Major spliceosome)
2- پیرایش RNA به وسیله پیرایشگر فرعی (Minor spliceosome) معروف به پیرایشگر نوع U12
3- خود پیرایش اینترون های گروه I
4- خود پیرایش اینترون های گروه II
5- پیرایش ترانس (trans-splicing) توسط پیرایشگر ترانس
6- پیرایش tRNA
همانطور که می بینید، عمده فرآیندهای پیرایشی RNA در سلول مربوط به پیرایش pre-mRNA است که عمدتا" به وسیله کمپلکس ریبونوکلئوپروتئینی بزرگی (با 5 نوع مولکول snRNA و تعداد بسیار زیادی پروتئین) بنام "پیرایشگر اصلی" به انجام می رسد. snRNA ها مولکول های RNA غنی از U کوچکی هستند که همگی بجز یکی از آنها (یعنی U6 که بوسیله RNA پلیمراز III کپی برداری می گردد) توسط RNA پلیمراز II رونویسی می شوند و چون غنی از نوکلئوتید U هستند، به آنها اسامی U1، U2، U3 و غیره داده می شود. این snRNA ها پس از سنتز در هسته به سیتوزول می روند و در آنجا هرکدام با اتصال به 7 مولکول پروتئینی بنام پروتئین های Sm به شکل کمپلکس های ریبونوکلئوپروتئینی بزرگی بنام اسنورپ (snRNP) درآمده و به هسته برمی گردند تا عمل پیرایش pre-mRNA را کاتالیز نمایند. در واقع به مجموعه این اسنورپ ها، پیرایشگر (spliceosome) می گویند.
یوکاریوت های ساده نظیر مخمرها دارای تنها یک مجموعه از اسنورپ ها (پیرایشگر اصلی) برای پیرایش تمامی pre-mRNA های خود هستند. اما یوکاریوت های پیچیده تر نظیر مگس ها، گیاهان و پستانداران دارای مجموعه دومی (پیرایشگر فرعی نوع U12) نیز هستند. تعدادی از pre-mRNA های پستانداران دارای مخلوطی از اینترون ها هستند، به طوریکه بعضی از آنها به وسیله پیرایشگر اصلی و برخی دیگر توسط پیرایشگر فرعی برداشته می شوند. برآورد می شود که در انسان 0.1% از اینترون ها به وسیله پیرایشگر نوع فرعی (U12) برداشته می شوند .
یکسری از اینترون ها هم خود پیرایش (self-splicing) هستند و برای حذف خود نیاز به هیچ مولکول RNA یا پروتئینی ندارند. برای مثال RNA حاصل از بعضی از ژن های فاژ T4،مولکول های rRNA هسته ای مژکدار تتراهایمنا و بعضی از ژن های میتوکندری و کلروپلاست این گونه اند. این اینترون ها 2 گروهند: اینترون های گروه I که از یک نوکلئوتید گوانین آزاد (به عنوان گروه حمله کننده فعال) برای انجام فرآیند خودپیرایش استفاده می کنند و اینترون های گروه II که از یک نوکلئوتید A در خود توالی اینترون برای این منظور استفاده می نمایند.
tRNA به وسیله RNA پلیمراز III به صورت یک مولکول پیش ساز بزرگ رونوشت برداری می شوند، لذا قبل از خروج از هسته باید پردازش شوند. tRNA ها برای اینکه به خوبی و به طرز درست پردازش و پیرایش شوند، باید به طور صحیح پیچ و تاب بخورند و به صورت ساختمان دوم خود (کنفورماسیون برگ شبدری) درآیند و گرنه خوب پردازش نمی شوند. پس از آن که tRNA سنتز شد و به طرز صحیح پیچ و تاب خورد، بخش اضافی سمت ‘5 آن را RNaseP (یک ریبوزیم) و بخش اضافی سمت ‘3 آن را RNaseD برش می دهد. بعضی از tRNA ها اینترون دارند که باید برداشته شود. پیرایش tRNA ها با دیگر انواع پیرایش متفاوت بوده و بجای تولید یک حدواسط کمندی شکل (که معمولا در اغلب سیستم های پیرایشی دیده می شود)، از یک مکانیسم cut and paste استفاده می کند که به وسیله پروتئین ها کاتالیز می گردد(شکل 4). (حداقل) 2 آنزیم برای برداشت اینترون tRNA وارد عمل می شوند: (1) یک RNA اندونوکلئاز (چهار زیرواحدی) و (2) یک tRNA لیگاز چندکاره. اندونوکلئاز مذکور، دو برش را در دوطرف اینترون ایجاد می کند و اینترون را جدا می نماید و لیگاز ویژه دو انتهای حاصل از عملکرد اندونوکلئاز را به هم جوش می زند تا tRNA کامل و بالغ شکل بگیرد. در بیشتر مولکول های tRNA، حدود 10% از نوکلئوتیدها، تغییریافته اند. که آنزیم های متفاوتی (نظیر متیل ترانسفرازها و ...) این تغییرات را اعمال می کنند.
تعدادی معدودی از یوکاریوت ها از جمله تک یاخته تریپانوزوم (که عامل بیماری خواب آفریقایی در انسان ها است) و نماتود C.elegans نوع متفاوتی از پیرایش به نام پیرایش ترانس (شکل 5) را دارا هستند که به وسیله پیرایشگر ترانس به انجام می رسد. در این نوع پیرایش، اگزون های مربوط به دو رونوشت RNA متفاوت با همدیگر پردازش و پیرایش می شوند تا یک مولکول mRNA بالغ را به وجود آورند. در پیرایش ترانس که در انسان ها وجود ندارد، SL snRNP (که بخشی از پیرایشگر ترانس است) در واکنش مصرف می شود، زیرا بخشی از خود SL snRNA اولین اگزون mRNA بالغ را می سازد. تریپانوزوم ها همه mRNA های خود را با این روش تولید می کنند، در حالی که پیرایش ترانس مسئول تولید تنها حدود 1% از کل mRNA های نماتود است.
پیرایش معمولا به صورت سیس در بین اگزون های یک مولکول RNA اتفاق می افتد. اما گاهی در بعضی از یوکاریوت ها، نوع ترانس آن هم مشاهده می شود.