Новый механизм генной регуляции без участия белков

Так выглядят под микроскопом нити гриба Neurospora crassa — классического объекта генетических исследований (фото с сайта www.cepceb.ucr.edu)

До сих пор считалось, что один из важнейших механизмов «редактирования» генетической информации — альтернативный сплайсинг — всегда идет под управлением специальных белков. Исследователи из Йельского университета (США) обнаружили, что альтернативный сплайсинг может регулироваться и без участия белков, при помощи особых недавно открытых структур, называемых «РНК-переключателями». Данное исследование продолжает длинный ряд открытий, показывающих огромное разнообразие доселе неведомых регуляторных функций, выполняемых в живой клетке молекулами РНК.

Открытие принципа «один ген — один белок» (The One Gene/One Enzyme Hypothesis) сыграло важнейшую роль в развитии теоретической биологии, позволив объединить генетику с биохимией, однако на сегодняшний день этот принцип устарел. В частности, известно, что на базе одного и того же гена может синтезироваться несколько разных белков. Это достигается за счет альтернативного сплайсинга — контролируемой «перекройки» молекул матричных РНК (мРНК), считанных с данного гена (подробно о механизме альтернативного сплайсинга мы рассказывали в заметке Сравнение геномов человека и мыши помогло обнаружить новый способ регуляции работы генов, «Элементы», 21.04.2007).

Каким образом клетка «решает», какой из вариантов сплайсинга нужно выбрать в данной ситуации (и, следовательно, какой из нескольких вариантов белка синтезировать), об этом пока известно немного, но все обнаруженные до сих пор механизмы требуют участия особых белков — регуляторов сплайсинга.

Статья, опубликованная в последнем номере журнала Nature, рассказывает об ином способе регуляции альтернативного сплайсинга, в котором ключевое «решение» принимается не белками, а самой молекулой мРНК, подвергающейся сплайсингу. Способность молекулы РНК самостоятельно определять свою судьбу и выбирать способ, каким она будет перекроена, определяется наличием в одном из ее некодирующих участков (интронов) специфической последовательности нуклеотидов, которая сама собой сворачивается в особую трехмерную структуру — РНК-переключатель. О том, что это такое, мы уже рассказывали в заметке Сложные РНК-переключатели — новый механизм регуляции генов («Элементы», 18.10.2006).

Исследование проводилось на грибе Neurospora crassa (по иронии судьбы, на этом же объекте в 40-е годы прошлого века были получены сенсационные результаты, позволившие сформулировать принцип «один ген — один белок»).

У этого гриба, как и у ряда других высших (эукариотических) организмов, в генах, участвующих в биосинтезе тиамина (витамина B1), были обнаружены участки, сходные с известными бактериальными РНК-переключателями, которые реагируют на производное тиамина — тиамин-пирофосфат. Большинство известных РНК-переключателей действуют по принципу отрицательной обратной связи. Они реагируют на вещество, синтезируемое белковым продуктом данного гена, и при достаточно высокой концентрации этого вещества отключают ген.

Примерно то же самое наблюдалось и в данном случае. Повышение концентрации тиамин-пирофосфата в клетках гриба приводит к снижению производства белков, ответственных за синтез тиамина. Было показано, что если удалить из соответствующих генов участки, похожие на бактериальные РНК-переключатели, то производство тиамин-синтезирующих белков перестает зависеть от концентрации тиамин-пирофосфата.

Таким образом, стало ясно, что участки грибных генов, похожие на РНК-переключатели, действительно являются таковыми. Оставалось лишь выяснить механизм их действия, то есть понять, как они блокируют работу «своих» генов. У бактерий РНК-переключатели делают это либо на этапе транскрипции (первичного «прочтения» гена, синтеза мРНК), либо на этапе трансляции — синтеза белка на матрице мРНК (см. подробности в вышеупомянутой заметке об РНК-переключателях).

У эукариот, как выяснилось, дело обстоит иначе: работа гена блокируется на этапе сплайсинга. Бактериям это недоступно, поскольку у бактерий сплайсинга нет. Тиаминовый РНК-переключатель в генах Neurospora crassa располагается в первом интроне, недалеко от начала гена. Если в клетке мало тиамин-пирофосфата, РНК-переключатель «приклеивается» одной из своих петель к строго определенному месту на молекуле мРНК. Это место является одним из потенциальных сайтов сплайсинга, то есть именно здесь в ходе сплайсинга молекула мРНК может быть разрезана. Однако приклеившийся РНК-переключатель не позволяет этого сделать, и молекула разрезается в другом «подходящем» месте по соседству. В результате формируется «правильная» зрелая мРНК, на основе которой синтезируется полноценный белок.

Если же в клетке много тиамин-пирофосфата, это вещество присоединяется к РНК-переключателю и изменяет его конформацию. Переключатель «отклеивается» от сайта сплайсинга и перестает его защищать. Тогда молекула РНК режется именно в этом месте, которое раньше прикрывалось РНК-переключателем. Это в конечном счете приводит к формированию «бракованной» зрелой мРНК, на базе которой полноценный белок синтезировать невозможно.

На рисунке показано, как РНК-переключатель регулирует альтернативный сплайсинг у Neurospora crassa (на примере гена NMT1). Участок мРНК, вырезаемый при сплайсинге, отмечен пунктирными линиями и зелеными стрелками. При низкой концентрации тиамин-пирофосфата РНК-переключатель «защищает» потенциальный сайт сплайсинга, отмеченный красной чертой. В результате при сплайсинге вместо этого сайта используется другой, расположенный по соседству (зеленая стрелка). Участок мРНК, отмеченный желтым цветом, не попадает в зрелую мРНК. При высокой концентрации TPP это вещество связывается с РНК-переключателем и меняет его конфигурацию. В результате молекула РНК режется в том месте, которое ранее было прикрыто РНК-переключателем, желтый участок попадает в зрелую мРНК и «портит» ее. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Таким образом, РНК-переключатель в зависимости от концентрации тиамин-пирофосфата направляет сплайсинг по одному из двух альтернативных путей.

О механизмах регуляции альтернативного сплайсинга известно очень мало, поэтому каждое новое открытие в этой области — это большой шаг вперед. Судя по некоторым косвенным признакам, регуляция сплайсинга при помощи РНК-переключателей может быть довольно широко распространена у эукариот. Чтобы проверить это предположение, необходима разработка эффективных методов поиска РНК-переключателей в эукариотических геномах — эти методы пока еще далеки от совершенства.

Источник: Ming T. Cheah, Andreas Wachter, Narasimhan Sudarsan, Ronald R. Breaker. Control of alternative RNA splicing and gene expression by eukaryotic riboswitches // Nature. 2007. V. 447. P. 497–500.

Александр Марков

Последние новости: Генетика, Александр Марков

24 мая Слуховая кора избирательно слышит то, к чему мы прислушиваемся

22 мая Ген, улучшающий память, заодно повышает и риск посттравматического стрессового растройства

19 мая Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре

17 мая Самки рыб-чистильщиков ведут себя вежливее с незнакомцами, чем с давними приятелями

15 мая Обилие редких мутаций в генофонде человечества существенно превышает современные оценки

26 апреля Сегменты у насекомых развиваются по часам

25 апреля Злокачественные опухоли и их метастазы не только растут, но и активно изменяются независимо друг от друга

24 апреля Личинки губок видят нетрадиционным способом

23 апреля Искусственные полимеры могут хранить генетическую информацию

18 апреля Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):