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