Überblick

Alternatives Spleißen ist ein grundlegender Mechanismus, durch den ein einzelnes Gen mehrere mRNA-Isoformen produzieren kann, was die kodierende Kapazität des Genoms erheblich erweitert. Nahezu 95 % der menschlichen Gene mit mehreren Exons unterliegen einem alternativen Spleißen und erzeugen unterschiedliche Proteinprodukte, die verschiedene, sogar gegensätzliche Funktionen haben können. Die Entscheidung, welche Exons eingeschlossen oder ausgeschlossen werden, ist streng reguliert und gewebespezifisch. Die Analyse des alternativen Spleißens zielt darauf ab, diese Unterschiede auf Isoformebene zwischen Bedingungen, Entwicklungsstadien oder Krankheitszuständen zu identifizieren und zu quantifizieren, und offenbart eine zusätzliche Ebene der Genregulation über einfache Expressionsveränderungen hinaus.

Methoden

Die Erkennung von Ereignissen des alternativen Spleißens aus RNA-seq-Daten erfordert spezielle computerbasierte Ansätze. Isoform-Quantifizierungswerkzeuge (wie Salmon, Kallisto oder RSEM) schätzen die Häufigkeit jeder bekannten Transkriptisoform. Ereignisbasierte Werkzeuge (rMATS, MAJIQ oder SUPPA2) klassifizieren Spleißereignisse in Kategorien: Kassettenexon-Überspringen, sich gegenseitig ausschließende Exons, alternative 5’- oder 3’-Spleißstellen und Intronretention. Diese Werkzeuge verwenden Zählmatrizen von Reads, die auf Spleißstellen versus Exons kartieren, und testen mit gepaarten statistischen Modellen auf signifikante Unterschiede. Die De-novo-Spleißerkennung (durch StringTie oder Cufflinks) assembliert Transkripte ohne Annotation, um neue Isoformen zu entdecken. Die Visualisierung von Spleißunterschieden mit Sashimi-Plots (aus MISO oder IGV) hilft bei der Interpretation komplexer Muster.

Anwendungen

Die Fehlregulation des alternativen Spleißens ist ein Kennzeichen vieler Krankheiten. Bei Krebs sind Spleißfaktoren häufig mutiert und produzieren tumorspezifische Isoformen, die Proliferation und Metastasierung vorantreiben. Neurologische Störungen wie spinale Muskelatrophie und frontotemporale Demenz resultieren direkt aus Spleißdefekten. Das Verständnis von Spleißmustern unterstützt die Interpretation der RNA-Struktur und -Typen und baut auf Konzepten der Transkription und RNA-Prozessierung auf. Die Spleißanalyse überschneidet sich auch mit der Genregulation und Epigenetik, da der Chromatinkompartiment die kotranskriptionelle Auswahl der Spleißstelle beeinflusst und Spleißrückkopplungen die Transkriptionselongation regulieren können.