Protein isoform - Protein isoform
En proteinisoform , eller " proteinvariant ", er medlem av et sett med svært like proteiner som stammer fra et enkelt gen eller genfamilie og er et resultat av genetiske forskjeller. Mens mange utfører de samme eller lignende biologiske rollene, har noen isoformer unike funksjoner. Et sett med protein-isoformer kan dannes fra alternative spleisninger , variabel promoterbruk eller andre post-transkripsjonelle modifikasjoner av et enkelt gen; endringer etter translasjon blir generelt ikke vurdert. Gjennom RNA-spleisningsmekanismer har mRNA muligheten til å velge forskjellige proteinkodende segmenter ( eksoner ) av et gen, eller til og med forskjellige deler av eksoner fra RNA for å danne forskjellige mRNA-sekvenser. Hver unike sekvens produserer en spesifikk form av et protein.
Oppdagelsen av isoformer kan forklare avviket mellom det lille antallet proteinkodende regioner som er avslørt av det menneskelige genomprosjektet og det store mangfoldet av proteiner som sees i en organisme: forskjellige proteiner kodet av det samme genet kan øke mangfoldet i proteomet . Isoformer på RNA-nivå karakteriseres lett av cDNA- transkripsjonsstudier. Mange menneskelige gener har bekreftede alternative spleising av isoformer. Det er anslått at ~ 100.000 uttrykte sekvensmerker ( EST ) kan identifiseres hos mennesker. Isoformer på proteinnivå kan manifestere seg i sletting av hele domener eller kortere sløyfer, vanligvis plassert på overflaten av proteinet.
Definisjon
Ett enkelt gen har evnen til å produsere flere proteiner som varierer både i struktur og sammensetning; denne prosessen er regulert av alternativ spleising av mRNA, selv om det ikke er klart i hvilken grad en slik prosess påvirker mangfoldet av det humane proteomet, da overfloden av mRNA-transkripsjonsformer ikke nødvendigvis korrelerer med overfloden av protein-isoformer. Spesifisiteten til oversatte isoformer er avledet av proteinets struktur / funksjon, samt celletype og utviklingsstadium der de produseres. Å bestemme spesifisitet blir mer komplisert når et protein har flere underenheter og hver underenhet har flere isoformer.
For eksempel har 5 'AMP-aktivert proteinkinase (AMPK), et enzym, som utfører forskjellige roller i humane celler, 3 underenheter:
- α, katalytisk domene, har to isoformer: α1 og α2 som er kodet fra PRKAA1 og PRKAA2
- β, regulatorisk domene, har to isoformer: β1 og β2 som er kodet fra PRKAB1 og PRKAB2
- γ, regulatorisk domene, har tre isoformer: γ1, γ2 og γ3 som er kodet fra PRKAG1 , PRKAG2 og PRKAG3
I menneskelig skjelettmuskulatur er den foretrukne formen α2β2γ1. Men i den menneskelige leveren er den vanligste formen α1β2γ1.
Mekanisme
De primære mekanismene som produserer proteinisoformer er alternativ spleising og variabel promoterbruk, selv om modifikasjoner på grunn av genetiske endringer, som mutasjoner og polymorfier , noen ganger også betraktes som forskjellige isoformer.
Alternativ spleising er den viktigste endringsprosessen etter transkripsjon som produserer mRNA-transkripsjonsformer, og er en viktig molekylær mekanisme som kan bidra til proteindiversitet. Den spliceosome , en stor ribonukleoprotein , er molekyl maskinen inne i kjernen er ansvarlig for RNA-spaltning og ligering , fjerning av ikke-protein-kodende segmenter ( introner ).
Fordi spleising er en prosess som skjer mellom transkripsjon og oversettelse , har dens primære effekter hovedsakelig blitt studert gjennom genomikkteknikker - for eksempel har mikroarrayanalyser og RNA-sekvensering blitt brukt til å identifisere alternativt spleise transkripsjoner og måle deres overflod. Transkripsjonsoverflod brukes ofte som en fullmektig for overflod av proteinisoformer, selv om proteomikkeksperimenter ved bruk av gelelektroforese og massespektrometri har vist at korrelasjonen mellom transkripsjon og proteinantall ofte er lav, og at det ene proteinisoformen vanligvis er dominerende. En studie fra 2015 sier at årsaken til dette avviket sannsynligvis oppstår etter oversettelse, selv om mekanismen i det vesentlige er ukjent. Selv om alternativ spleising har blitt implisert som en viktig kobling mellom variasjon og sykdom, er det følgelig ingen avgjørende bevis for at den primært virker ved å produsere nye proteinisoformer.
Alternativ spleising beskriver generelt en tett regulert prosess der alternative transkripsjoner med vilje genereres av spleisemaskineriet. Imidlertid produseres slike transkripsjoner også ved spleisningsfeil i en prosess som kalles "støyende spleising", og blir også potensielt oversatt til proteinisoformer. Selv om ~ 95% av flere eksoniske gener antas å være spleiset, observerte en studie om støyende spleising at de fleste av de forskjellige transkripsjonene med lav overflod er støy, og spår at de fleste alternative transkripsjons- og proteinisoformer som er tilstede i en celle ikke er funksjonelt relevant.
Andre regulatoriske trinn for transkripsjon og post-transkripsjon kan også produsere forskjellige proteinisoformer. Variabel promoterbruk oppstår når transkripsjonsmaskineriet til en celle ( RNA-polymerase , transkripsjonsfaktorer og andre enzymer ) begynner transkripsjon hos forskjellige promotorer - regionen av DNA i nærheten av et gen som fungerer som et innledende bindingssted - noe som resulterer i litt modifiserte transkripsjoner og protein isoformer.
Kjennetegn
Vanligvis er en proteinisoform merket som den kanoniske sekvensen basert på kriterier som dens prevalens og likhet med ortologiske - eller funksjonelt analoge - sekvenser i andre arter. Isoformer antas å ha lignende funksjonelle egenskaper, da de fleste har lignende sekvenser, og deler noen til de fleste eksoner med den kanoniske sekvensen. Imidlertid viser noen isoformer mye større divergens (for eksempel gjennom trans-skjøting ), og kan dele få eller ingen eksoner med den kanoniske sekvensen. I tillegg kan de ha forskjellige biologiske effekter - for eksempel, i ekstreme tilfeller, kan funksjonen til en isoform fremme celleoverlevelse, mens en annen fremmer celledød - eller kan ha lignende grunnleggende funksjoner, men forskjellige i deres subcellulære lokalisering. En studie fra 2016 karakteriserte imidlertid funksjonelt alle isoformene til 1492 gener og bestemte at de fleste isoformer oppførte seg som "funksjonelle alloformer." Forfatterne kom til den konklusjonen at isoformer oppfører seg som forskjellige proteiner etter å ha observert at funksjonaliteten til de fleste isoformer ikke overlappet hverandre. Fordi studien ble utført på celler in vitro , er det ikke kjent om isoformene i det uttrykte humane proteomet deler disse egenskapene. I tillegg, fordi funksjonen til hver isoform generelt må bestemmes separat, har de fleste identifiserte og forutsagte isoformene fortsatt ukjente funksjoner.
Relatert konsept
Glykoform
En glykoform er en isoform av et protein som bare skiller seg med hensyn til antall eller type festet glykan . Glykoproteiner består ofte av en rekke forskjellige glykoformer, med endringer i det vedlagte sakkaridet eller oligosakkaridet . Disse modifikasjonene kan skyldes forskjeller i biosyntese under glykosyleringsprosessen , eller på grunn av virkningen av glykosidaser eller glykosyltransferaser . Glycoforms kan påvises gjennom detaljert kjemisk analyse av separerte glykoformer, men mer hensiktsmessig påvises ved differensial reaksjon med lektiner , slik som i lektin-affinitetskromatografi og lektin affinitet elektroforese . Typiske eksempler på glykoproteiner bestående av glykoformer er blodproteinene som orosomukoid , antitrypsin og haptoglobin . En uvanlig glykoformvariasjon sees i nevroncelleadhesjonsmolekyl, NCAM som involverer polysialinsyrer, PSA .
Eksempler
- G-aktin : til tross for sin konserverte natur har den et varierende antall isoformer (minst seks hos pattedyr).
- Kreatinkinase , hvis tilstedeværelse i blodet kan brukes som et hjelpemiddel i diagnosen hjerteinfarkt , finnes i 3 isoformer.
- Hyaluronansyntase , enzymet som er ansvarlig for produksjonen av hyaluronan, har tre isoformer i pattedyrceller.
- UDP-glukuronosyltransferase , et enzym som er superfamilien som er ansvarlig for avgiftningsveien til mange stoffer, miljøforurensende stoffer og giftige endogene forbindelser har 16 kjente isoformer kodet i det menneskelige genomet.
- G6PDA: normalt forhold av aktive isoformer i celler i hvilket som helst vev er 1: 1 delt med G6PDG. Dette er nettopp det normale isoformforholdet i hyperplasi. Bare en av disse isoformene er funnet under neoplasi.
Monoaminoxidase , en familie av enzymer som katalyserer oksidasjonen av monoaminer, finnes i to isoformer, MAO-A og MAO-B.