Die Proteine ​​A, B und C sind Isoformen, die durch alternatives Spleißen vom selben Gen kodiert werden .

Eine Proteinisoform oder „ Proteinvariante “ [ 1 ] ist ein Mitglied einer Gruppe hochgradig ähnlicher Proteine , die von einem einzigen Gen stammen und auf genetischen Unterschieden beruhen [ 2 ] . Während viele Isoformen dieselben oder ähnliche biologische Funktionen erfüllen, besitzen einige Isoformen einzigartige Funktionen. Eine Gruppe von Proteinisoformen kann durch alternatives Spleißen , variable Promotorverwendung oder andere posttranskriptionelle Modifikationen eines einzelnen Gens entstehen; posttranslationale Modifikationen werden im Allgemeinen nicht berücksichtigt. (Siehe dazu Proteoformen .) Mithilfe von RNA-Spleißen kann mRNA verschiedene proteinkodierende Abschnitte ( Exons ) eines Gens oder sogar verschiedene Teile von Exons aus der RNA auswählen, um unterschiedliche mRNA-Sequenzen zu bilden. Jede einzigartige Sequenz führt zu einer spezifischen Form eines Proteins.

Die Entdeckung von Isoformen könnte die Diskrepanz zwischen der geringen Anzahl proteinkodierender Genregionen, die im Rahmen des Humangenomprojekts identifiziert wurden , und der großen Vielfalt an Proteinen in einem Organismus erklären: Unterschiedliche Proteine, die vom selben Gen kodiert werden, könnten die Diversität des Proteoms erhöhen . Isoformen auf RNA-Ebene lassen sich leicht durch cDNA- Transkriptstudien charakterisieren. Viele menschliche Gene weisen bestätigte alternative Spleißvarianten auf . Schätzungsweise lassen sich beim Menschen etwa 100.000 exprimierte Sequenz-Tags ( ESTs ) identifizieren. [ 1 ] Isoformen auf Proteinebene können sich in der Deletion ganzer Domänen oder kürzerer Schleifen manifestieren, die sich üblicherweise an der Proteinoberfläche befinden. [ 3 ]

Definition

Ein einzelnes Gen kann mehrere Proteine ​​produzieren, die sich sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Zusammensetzung unterscheiden; [ 4 ] [ 5 ] dieser Prozess wird durch alternatives Spleißen der mRNA reguliert. Es ist jedoch unklar, inwieweit dieser Prozess die Diversität des menschlichen Proteoms beeinflusst, da die Häufigkeit von mRNA-Transkriptisoformen nicht unbedingt mit der Häufigkeit von Proteinisoformen korreliert. [ 6 ] Dreidimensionale Proteinstrukturvergleiche können helfen, festzustellen, welche Isoformen gegebenenfalls funktionelle Proteinprodukte darstellen. Die Struktur der meisten Isoformen im menschlichen Proteom wurde mit AlphaFold vorhergesagt und auf isoform.io öffentlich zugänglich gemacht . [ 7 ] Die Spezifität translatierter Isoformen ergibt sich aus der Struktur/Funktion des Proteins sowie dem Zelltyp und dem Entwicklungsstadium, in dem sie produziert werden. [ 4 ] [ 5 ] Die Bestimmung der Spezifität wird komplexer, wenn ein Protein mehrere Untereinheiten besitzt und jede Untereinheit mehrere Isoformen aufweist.

Beispielsweise besitzt die 5'-AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK), ein Enzym, das in menschlichen Zellen verschiedene Funktionen erfüllt, 3 Untereinheiten: [ 8 ]

Im menschlichen Skelettmuskel ist die bevorzugte Form α2β2γ1. [ 8 ] In der menschlichen Leber hingegen ist die am häufigsten vorkommende Form α1β2γ1. [ 8 ]

Mechanismus

Unterschiedliche Mechanismen des RNA-Spleißens

Die wichtigsten Mechanismen, die zur Entstehung von Proteinisoformen führen, sind alternatives Spleißen und die variable Promotorverwendung, wobei Modifikationen aufgrund genetischer Veränderungen, wie Mutationen und Polymorphismen, manchmal ebenfalls als eigenständige Isoformen betrachtet werden. [ 9 ]

Alternatives Spleißen ist der wichtigste posttranskriptionelle Modifikationsprozess , der mRNA-Transkriptisoformen erzeugt und ein wichtiger molekularer Mechanismus ist, der zur Proteindiversität beitragen kann. [ 5 ] Das Spliceosom , ein großes Ribonukleoprotein , ist die molekulare Maschine im Zellkern, die für die Spaltung und Ligation von RNA verantwortlich ist und nicht-proteinkodierende Abschnitte ( Introns ) entfernt. [ 10 ]

Da Spleißen ein Prozess ist, der zwischen Transkription und Translation stattfindet, wurden seine primären Auswirkungen hauptsächlich mithilfe genomischer Techniken untersucht – beispielsweise wurden Microarray- Analysen und RNA-Sequenzierung eingesetzt, um alternativ gespleißte Transkripte zu identifizieren und deren Häufigkeit zu messen. [ 9 ] Die Transkripthäufigkeit wird oft als Indikator für die Häufigkeit von Proteinisoformen verwendet, obwohl proteomische Experimente mit Gelelektrophorese und Massenspektrometrie gezeigt haben, dass die Korrelation zwischen Transkript- und Proteinanzahl oft gering ist und in der Regel eine Proteinisoform dominant ist. [ 11 ] Eine Studie aus dem Jahr 2015 gibt an, dass die Ursache dieser Diskrepanz wahrscheinlich nach der Translation liegt, der Mechanismus ist jedoch weitgehend unbekannt. [ 12 ] Obwohl alternatives Spleißen als wichtige Verbindung zwischen genetischer Variation und Krankheit gilt, gibt es daher keine eindeutigen Beweise dafür, dass es primär durch die Produktion neuer Proteinisoformen wirkt. [ 11 ]

Alternatives Spleißen beschreibt im Allgemeinen einen streng regulierten Prozess, bei dem alternative Transkripte gezielt durch die Spleißmaschinerie erzeugt werden. Solche Transkripte entstehen jedoch auch durch Spleißfehler in einem Prozess, der als „Noisy Spleißen“ bezeichnet wird, und können potenziell in Proteinisoformen translatiert werden. Obwohl man annimmt, dass etwa 95 % der multiexonischen Gene alternativ gespleißt werden, zeigte eine Studie zum Noisy Spleißen, dass die meisten der verschiedenen, in geringer Menge vorkommenden Transkripte Rauschen darstellen. Die Studie prognostiziert, dass die meisten alternativen Transkripte und Proteinisoformen in einer Zelle keine funktionelle Relevanz besitzen. [ 13 ]

Weitere transkriptionelle und posttranskriptionelle Regulationsschritte können ebenfalls zu unterschiedlichen Proteinisoformen führen. [ 14 ] Eine variable Promotornutzung tritt auf, wenn die Transkriptionsmaschinerie einer Zelle ( RNA-Polymerase , Transkriptionsfaktoren und andere Enzyme ) die Transkription an verschiedenen Promotoren – dem DNA-Abschnitt in der Nähe eines Gens, der als initiale Bindungsstelle dient – ​​beginnt, was zu leicht veränderten Transkripten und Proteinisoformen führt.

Eigenschaften

Im Allgemeinen wird eine Proteinisoform als kanonische Sequenz bezeichnet, basierend auf Kriterien wie ihrer Häufigkeit und Ähnlichkeit zu orthologen – oder funktionell analogen – Sequenzen in anderen Spezies. [ 15 ] Man geht davon aus, dass Isoformen ähnliche funktionelle Eigenschaften besitzen, da die meisten ähnliche Sequenzen aufweisen und einige bis die meisten Exons mit der kanonischen Sequenz gemeinsam haben. Einige Isoformen zeigen jedoch eine deutlich größere Divergenz (beispielsweise durch Trans-Splicing ) und können nur wenige oder gar keine Exons mit der kanonischen Sequenz gemeinsam haben. Darüber hinaus können sie unterschiedliche biologische Wirkungen haben – beispielsweise kann im Extremfall die Funktion einer Isoform das Zellüberleben fördern, während eine andere den Zelltod bewirkt – oder ähnliche Grundfunktionen besitzen, sich aber in ihrer subzellulären Lokalisation unterscheiden. [ 16 ] Eine Studie aus dem Jahr 2016 charakterisierte jedoch alle Isoformen von 1492 Genen funktionell und kam zu dem Ergebnis, dass sich die meisten Isoformen wie „funktionelle Alloformen“ verhalten. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass sich Isoformen wie unterschiedliche Proteine ​​verhalten, nachdem sie beobachtet hatten, dass sich die Funktionen der meisten Isoformen nicht überschneiden. [ 17 ] Da die Studie in vitro an Zellen durchgeführt wurde , ist nicht bekannt, ob die Isoformen im exprimierten menschlichen Proteom diese Eigenschaften teilen. Da zudem die Funktion jeder einzelnen Isoform in der Regel separat bestimmt werden muss, sind die Funktionen der meisten identifizierten und vorhergesagten Isoformen noch unbekannt.

Typen

Isoformen lassen sich anhand ihrer Unterschiede in Struktur- und Sequenzisoformen unterteilen. Strukturisoformen entstehen durch alternatives Spleißen, was zu unterschiedlichen Exonzusammensetzungen führt . Dazu gehören Exon-Skipping/Exon-Inklusion, alternative 5'- oder 3'-Spleißstellen und Intron-Retention. Diese Mechanismen erzeugen Transkripte und Proteine ​​mit unterschiedlichen Domänenarchitekturen – beispielsweise durch die Inklusion oder Exklusion ganzer funktioneller Domänen oder die Verwendung alternativer Donor-/Akzeptorstellen, die partielle Exonsequenzen hinzufügen oder entfernen. Sequenzisoformen hingegen entstehen typischerweise durch Einzelnukleotidvariationen, Insertionen, Deletionen oder posttranslationale Modifikationen, die die Aminosäuresequenz verändern, ohne die Gesamtstruktur des Exons zu beeinflussen [ 18 ] .

Alternatives Spleißen ist der wichtigste posttranskriptionelle Modifikationsprozess, der mRNA- Transkriptisoformen erzeugt. Diese Isoformen können unterschiedliche Funktionen, Aktivitäten oder Expressionsmuster aufweisen [ 19 ] . Diese Unterscheidung ist funktionell bedeutsam: Strukturelle Isoformen zeigen aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens ganzer Proteindomänen oft dramatisch unterschiedliche Eigenschaften, während Sequenzisoformen subtilere funktionelle Variationen aufweisen können. Beide Mechanismen tragen wesentlich zur Proteomdiversität bei, wobei die strukturelle Variation durch alternatives Spleißen besonders häufig in höheren Eukaryoten auftritt , wo sie die Mehrheit der Multi-Exon-Gene betrifft.

Glykoform

Eine Glykoform ist eine Isoform eines Proteins, die sich nur in der Anzahl oder Art der angehängten Glykane unterscheidet . Glykoproteine ​​bestehen oft aus mehreren verschiedenen Glykoformen mit Variationen im angehängten Saccharid oder Oligosaccharid . Diese Modifikationen können durch Unterschiede in der Biosynthese während der Glykosylierung oder durch die Wirkung von Glykosidasen oder Glykosyltransferasen entstehen . Glykoformen lassen sich durch detaillierte chemische Analyse getrennter Glykoformen nachweisen, einfacher jedoch durch differentielle Reaktion mit Lektinen , wie in der Lektin-Affinitätschromatographie und Lektin -Affinitätselektrophorese . Typische Beispiele für Glykoproteine, die aus Glykoformen bestehen , sind die Blutproteine ​​Orosomucoid , Antitrypsin und Haptoglobin . Eine ungewöhnliche Glykoformvariation findet sich beim neuronalen Zelladhäsionsmolekül NCAM, das Polysialinsäuren (PSA) betrifft .

Beispiele

  • G-Aktin : Trotz seiner konservierten Natur weist es eine variable Anzahl von Isoformen auf (mindestens sechs bei Säugetieren).
  • Die Kreatinkinase , deren Vorhandensein im Blut als Hilfsmittel bei der Diagnose eines Myokardinfarkts genutzt werden kann , existiert in 3 Isoformen.
  • Die Hyaluronan-Synthase , das für die Produktion von Hyaluronan verantwortliche Enzym, besitzt in Säugetierzellen drei Isoformen.
  • Die UDP-Glucuronosyltransferase , eine Enzym-Superfamilie, die für den Entgiftungsweg vieler Arzneimittel, Umweltgifte und toxischer endogener Verbindungen verantwortlich ist, weist 16 bekannte Isoformen auf, die im menschlichen Genom kodiert sind. [ 20 ]
  • G6PDA: Das normale Verhältnis der aktiven Isoformen in den Zellen eines jeden Gewebes beträgt 1:1 und entspricht dem von G6PDG. Dies ist genau das normale Isoformverhältnis bei Hyperplasie. Bei Neoplasien findet sich nur eine dieser Isoformen. [ 21 ]

Die Monoaminoxidase , eine Enzymfamilie, die die Oxidation von Monoaminen katalysiert, existiert in zwei Isoformen, MAO-A und MAO-B.

Siehe auch

Referenzen

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