Lempalmament alternatiu (empalmament diferencial) és un procés mitjançant el qual els exons de l'ARN que es produeixen per la transcripció genètica (una transcripció gènica primària o pre-RNAm) es tornen a connectar de moltes maneres durant l'empalmament de l'ARN. Els diferents ARNm resultants poden traduir-se en diferents isoformes de la proteïna. Per tant, un sol gen pot «r múltiples proteïnes.Black, Douglas L. (2003). "Mechanisms of alternative pre-messenger RNA splicing". Annual Reviews of Biochemistry 72 (1): 291–336. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161720. miniatura|L'empalmament alternatiu produeix dos isoformes de proteïnes L'empalmament alternatiu es presenta com un fenomen normal en les cèl·lules eucariotes, on s'incrementa en gran manera la diversitat de les proteïnes que poden ser codificades pel genoma. En els éssers humans, un 95% dels gens multiexònics són empalmats alternativament.Pan, Q; Shai O, Lee LJ, Frey BJ, Blencowe BJ (Dec 2008). "Deep surveying of alternative splicing complexity in the human transcriptome by high-throughput sequencing". Nature Genetics 40 (12): 1413–1415. doi:10.1038/ng.259. S'han observat nombroses formes d'empalmament alternatiu, de les quals la més comuna és l'omissió de l'exó. En aquest procés, un exó en particular pot ser inclòs en el ARNm sota certes condicions o en determinats teixits, i omès en l'ARNm en situacions diferents. La producció d'ARNm d'empalmament alternatiu està regulada per proteïnes d'acció trans unides a zones d'acció cis del mateix ARNm. Aquestes proteïnes inclouen activadors d'empalmament que promouen la utilització d'un lloc d'acoblament en particular i repressors d'empalmament que redueixen l'ús d'un altre lloc en particular. Els mecanismes d'empalmament alternatiu són molt variables, i contínuament se'n troben nous exemples, especialment a través de la utilització de tècniques d'alt rendiment. Els investigadors esperen dilucidar plenament els sistemes reguladors que participen en l'empalmament, per poder predir els productes d'empalmament alternatiu d'un determinat gen en unes determinades condicions amb un “codi d'acoblament».Matlin, AJ; Clark F, Smith, CWJ (May 2005). "Understanding alternative splicing: towards a cellular code". Nature Reviews 6 (5): 386–398. doi:10.1038/nrm1645. David, C. J.; Manley, J. L. (2008). "The search for alternative splicing regulators: new approaches offer a path to a splicing code". Genes & Development 22 (3): 279–85. doi:10.1101/gad.1643108. PMC 2731647. Les variacions anormals en l'empalmament estan implicades en l'aparició de malalties, ja que són causa d'una gran part dels trastorns genètics humans. També és possible que aquestes variacions anormals en l'empalmament contribueixin al desenvolupament de càncer,Skotheim, R I and Nees, M (2007). "Alternative splicing in cancer: noise, functional, or systematic?". The international journal of biochemistry & cell biology 39 (7-8): 1432–49. doi:10.1016/j.biocel.2007.02.016. Bauer, Joseph Alan; He, Chunjiang; Zhou, Fang; Zuo, Zhixiang; Cheng, Hanhua; Zhou, Rongjia (2009). Bauer, Joseph Alan. ed. "A Global View of Cancer-Specific Transcript Variants by Subtractive Transcriptome-Wide Analysis". PLoS ONE 4 (3): e4732. Bibcode 2009PLoSO...4.4732H. doi:10.1371/journal.pone.0004732. PMC 2648985. Fackenthal, Jd; Godley, La (2008). "Aberrant RNA splicing and its functional consequences in cancer cells" (Free full text). Disease models & mechanisms 1 (1): 37–42. doi:10.1242/dmm.000331. PMC 2561970. encara que tals productes anormals d'empalmament són generalment salvaguardats i eliminats per un mecanisme de control de qualitat posttranscripcional.Danckwardt S, Neu-Yilik G, Thermann R, Frede U, Hentze MW, Kulozik AE (2002). "Abnormally spliced beta-globin mRNAs: a single point mutation generates transcripts sensitive and insensitive to nonsense-mediated mRNA decay". Blood 99 (5): 1811–6. doi:10.1182/blood.V99.5.1811.
Descobriment L'empalmament alternatiu es va observar per primera vegada el 1977.Chow LT, Gelinas RE, Broker TR, Roberts RJ (1977). "An amazing sequence arrangement at the 5' ends of adenovirus 2 messenger RNA". Cell 12 (1): 1–8. doi:10.1016/0092-8674(77)90180-5. Berget SM, Moore C, Sharp PA (1977). "Spliced segments at the 5' terminus of adenovirus 2 late mRNA". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 74 (8): 3171–5. doi:10.1073/pnas.74.8.3171. PMC 431482. Els adenovirus produeixen dos transcripcions primàries diferents, una al principi del cicle de vida i una més tard, després de la replicació de l'ADN. Els investigadors van trobar que la transcripció primària d'ARN produïda per adenovirus tipus 2 en l'última fase era «tallada» de diverses maneres, donant lloc a varios ARNm que codificaven proteïnes virals diferents. Tant el lloc d'acoblament 3′ com el 5′ variaven i, a més, la transcripció contenia diversos llocs de poliadenilació, donant diferents extrems 3′ als ARNm processats.Leff SE, Rosenfeld MG, Evans RM (1986). "Complex transcriptional units: diversity in gene expression by alternative RNA processing". Annu. Rev. Biochem. 55 (1): 1091–117. doi:10.1146/annurev.bi.55.070186.005303. Chow LT, Broker TR (1978). "The spliced structures of adenovirus 2 fiber message and the other late mRNAs". Cell 15 (2): 497–510. doi:10.1016/0092-8674(78)90019-3. Nevins JR, Darnell JE (1978). "Steps in the processing of Ad2 mRNA: poly(A)+ nuclear sequences are conserved and poly(A) addition precedes splicing". Cell 15 (4): 1477–93. doi:10.1016/0092-8674(78)90071-5. El 1981 va ser caracteritzat el primer exemple d'empalmament alternatiu en la transcripció d'un gen normal i endogen. Es va trobar que el gen que codifica l'hormona tiroidal calcitonina era «tallat» alternativament en cèl·lules de mamífers. El pre-mRNA d'aquest gen conté 6 exons, mentres que l'ARNm de la calcitonina conté els exons 1-4, i acaba després d'un lloc de poliadenilació en l'exó 4. També es produeix un altre ARNm diferent a partir d'aquest pre-ARNm per l'omissió de l'exó 4, que inclou els exons 1-3, 5 i 6. Aquest ARNm codifica una proteïna coneguda com a CGRP (pèptid relacionat amb el gen de calcitonina).Rosenfeld MG, Amara SG, Roos BA, Ong ES, Evans RM (1981). "Altered expression of the calcitonin gene associated with RNA polymorphism". Nature 290 (5801): 63–5. doi:10.1038/290063a0. Rosenfeld MG, Lin CR, Amara SG, et al (1982). "Calcitonin mRNA polymorphism: peptide switching associated with alternative RNA splicing events". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 79 (6): 1717–21. doi:10.1073/pnas.79.6.1717. PMC 346051. També es van observar exemples d'empalmament alternatiu a les transcripcions de gens d'immunoglobulines en els mamífers a la dècada del 1980.Maki R, Roeder W, Traunecker A, et al (1981). "The role of DNA rearrangement and alternative RNA processing in the expression of immunoglobulin delta genes". Cell 24 (2): 353–65. doi:10.1016/0092-8674(81)90325-1. Des de llavors, s'ha descobert que l'empalmament alternatiu és un procediment present en totes les cèl·lules eucariotes. El «rècord» d'empalmament alternatiu és un gen de Drosophila melanogaster anomenat DSCAM, que podria tenir 38.016 variants d'acoblament.Schmucker D, Clemens JC, Shu H, Worby CA, Xiao J, Muda M, Dixon JE, Zipursky SL (2000). "Drosophila Dscam is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity". Cell 101 (6): 671–84. doi:10.1016/S0092-8674(00)80878-8.
Formes d'empalmament alternatiu miniatura|esquerra|Classificació típica de les formes d'empalmament alternatiu d'ARN Generalment es reconeixen cinc formes diferents d'empalmament.Michael Sammeth; Sylvain Foissac; Roderic Guigó (2008). Brent, Michael R.. ed. "A general definition and nomenclature for alternative splicing events". PLoS Comput Biol. 4 (8): e1000147. doi:10.1371/journal.pcbi.1000147. PMC 2467475. L'omissió d'exó o exons casset: en aquest cas, un exó pot ser tallat de l'ARN original o retingut a la cadena. Aquesta és la manera més comuna d'empalmament als pre-ARNm dels mamífers. Exons mútuament excloents: solament un dels dos exons es manté en l'ARNm després de l'empalmament, però mai els dos a l'hora. Lloc donant alternatiu: s'utilitza una unió 5′ (lloc donant) diferent, canviant l'extrem 3′ de l'exó upstream. Lloc acceptor alternatiu: s'utilitza una unió 3′ (lloc acceptor) diferent, canviant l'extrem 5′ de l'exó downstream. Retenció d'intró: una seqüència pot ser tallada com un intró o simplement retinguda. Això es distingeix de l'omissió d'exó perquè la seqüència retinguda no es troba flanquejada per introns. Si l'intró retingut és a la zona de codificació, l'intró ha de codificar els aminoàcids amb els exons veïns, o un codó de parada o un canvi en el marc de lectura farà que la proteïna no sigui funcional. Aquesta és la manera més rara d'empalmament en els mamífers.
A més d'aquestes formes principals d'empalmament alternatiu, hi ha dos mecanismes principals pels quals es poden generar diferents ARNm a partir d'un mateix gen: els promotors múltiples i múltiples llocs de poliadenilació. L'ús de promotors múltiples es descriu més aviat com un mecanisme de regulació transcripcional que no d'empalmament alternatiu, ja que. al començar la transcripció d'ADN a ARNm en diferents punts (promotors), es poden generar la majoria dels exons (transcripcions amb diferents extrems 5′). D'altra banda, els diversos llocs de poliadenilació permeten obtenir diferents punts 3' finals per a la transcripció. Aquests dos mecanismes es troben combinats amb l'empalmament alternatiu i proporcionen encara més varietat als ARNm derivats d'un gen.
Aquestes formes descriuen els mecanismes bàsics d'empalmament, però poden ser inadequats per descriure els esdeveniments més complexes. Per exemple, la figura de la dreta mostra tres formes del gen 3-hialuronidasa del ratolí.tres formes del gen 3-hialuronidasa del ratolí Al comparar l'estructura exònica de la primera línia (verda) amb la segona (groga), es veu una retenció d'intró, mentre que la comparació entre la segona i la tercera forma (groc i blau) mostra omissió d'exó. Es va proposar un model de nomenclatura única per designar tots els patrons possibles d'empalmament.
Mecanismes d'empalmament alternatiu Mecanisme general d'entroncament
miniatura|El complex spliceosoma A defineix els extrems 5' i 3' de l'intró abans de la seva extracció Quan el pre-ARNm s'ha transcrit a partir de l'ADN, inclou diversos introns i exons. (En els nematodes, la mitjana és de 4-5 exons i introns, mentre que amb la mosca del vinagre Drosophila hi pot haver més de 100 exons i introns en un pre-mRNA.) Durant el procés d'empalmament es determina quins exons s'han de mantenir a l'ARNm. La regulació i la selecció dels llocs d'acoblament són dutes a terme per proteïnes d'acció trans, tant activadores com represoras. L'intró típic d'una cèl·lula eucariota té seqüències de consens que defineixen regions importants. Cada intró té les bases nitrogenades GU (guanina-uracil) al seu extrem 5′. A prop de l'extrem 3′ hi ha un lloc de ramificació. El nucleòtid de l'extrem de la branca sempre es A (adenina), però la seqüència de consens al voltant d'aquesta seqüència varia. Als humans, la seqüència de consens de la branca és yUnAy.Gao, K.; Masuda, A.; Matsuura, T.; Ohno, K. (2008). "Human branch point consensus sequence is yUnAy". Nucleic Acids Research 36 (7): 2257–67. doi:10.1093/nar/gkn073. PMC 2367711. Després del lloc de ramificació es troben una sèrie de pirimidines, i després els nucleòtids AG (adenina-guanina) a l'extrem 3′.