Сравнение геномов человека и мыши помогло обнаружить новый способ регуляции работы генов

Прочтенные геномы наших близких родственников — шимпанзе и макака резуса — несколько затмили другое недавнее достижение генетиков — прочтение генома мыши. Однако именно сравнение человеческого генома с мышиным позволило американским ученым обнаружить принципиально новый и весьма необычный механизм генной регуляции. (Изображение с сайта www.sanger.ac.uk)
Прочтенные геномы наших близких родственников — шимпанзе и макака резуса — несколько затмили другое недавнее достижение генетиков — прочтение генома мыши. Однако именно сравнение человеческого генома с мышиным позволило американским ученым обнаружить принципиально новый и весьма необычный механизм генной регуляции. (Изображение с сайта www.sanger.ac.uk)

Геномы человека и мыши довольно сильно различаются, однако в них есть и абсолютно идентичные участки. Изучение этих «ультраконсервативных» участков привело к открытию неизвестного ранее способа регуляции активности генов. Суть нового механизма в том, что в молекулу РНК, служащую матрицей для синтеза белка, вносятся изменения, делающие молекулу «бессмысленной», и тогда она уничтожается системой клеточной «цензуры». Почему ультраконсервативные участки приурочены именно к генам, которые регулируются таким способом, осталось не вполне ясным.

Открытие, о котором сообщили в последнем номере журнала Nature ученые из Калифорнийского университета в Беркли, как нельзя лучше показывает, что наши знания об устройстве и функционировании живой клетки до сих пор крайне неполны, а сложность и запутанность механизмов внутриклеточной регуляции далеко превосходит всё, что мы еще недавно могли себе представить.

Чтобы понять, что именно открыли американские биологи, необходимо вначале познакомиться с двумя крайне любопытными, но малоизвестными широкой публике механизмами обработки генетической информации.

Первый из них называется альтернативным сплайсингом (alternative splicing). Как известно, почти все гены высших организмов состоят из участков, кодирующих белок (экзонов) и вставленных между ними некодирующих фрагментов (интронов). В ходе «прочтения» гена (транскрипции) сначала синтезируется матричная РНК (мРНК), представляющая собой полную копию всего гена, включая интроны. Затем интроны один за другим «вырезаются» из молекулы РНК, а экзоны соединяются друг с другом. Это и называется сплайсингом. Обычно существует несколько альтернативных вариантов сплайсинга для одной и той же мРНК. Дело в том, что часть экзонов может быть вырезана вместе с прилегающими к ним интронами. В результате из одной и той же «незрелой» мРНК, содержащей, например, 7 экзонов (1,2,3,4,5,6,7) могут получиться разные «зрелые» мРНК: 12357, 12467, 2345 и т. д. Разные мРНК станут затем матрицами для синтеза разных белков. Таким образом, благодаря механизму альтернативного сплайсинга один и тот же ген может кодировать несколько (вплоть до десятков тысяч) разных белков. То, какой именно белок будет производиться данным геном в каждой конкретной ситуации, зависит от сложных регуляторных систем, о которых пока еще очень мало известно. У человека в регуляции сплайсинга участвуют 11 схожих между собой генов, которые так и называются — splicing regulators (SR). У мыши имеется 10 из них («лишний» человеческий ген возник в результате дупликации).

Второй механизм представляет собой особый вариант «внутриклеточной цензуры» и служит для уничтожения заведомо бессмысленных молекул РНК. Называется он nonsense-mediated mRNA decay (NMD). Особые молекулярные системы, о которых тоже пока мало что известно, идентифицируют зрелую мРНК как бессмысленную и приговаривают ее к уничтожению в том случае, если в ней перед последней точкой сшивки двух экзонов имеется «преждевременный» стоп-кодон (три нуклеотида, сигнализирующие об окончании синтеза белка). Причем расстояние между местом соединения двух последних экзонов и преждевременным стоп-кодоном должно быть не менее 50 нуклеотидов.

Именно эти два механизма лежат в основе ранее неизвестного способа регуляции активности генов, который обнаружили американские биологи. Открытие было сделано в ходе анализа так называемых «ультраконсервативных» участков генома. Как известно, геномы человека и мыши довольно сильно различаются (в кодирующих участках на каждую сотню нуклеотидов приходится в среднем около 15 различий). Однако имеются и довольно длинные (до многих сотен нуклеотидов) абсолютно идентичные участки. Ясно, что такая консервативность нуклеотидных последовательностей должна иметь какой-то смысл. По-видимому, она означает, что любое изменение в пределах этих участков неизменно оказывается вредным и для человека, и для мыши.

Некоторые ультраконсервативные участки находятся между генами и могут выполнять регуляторные функции. Например, придавать молекуле ДНК какую-то особую конфигурацию, обеспечивающую наиболее правильное считывание близлежащих генов. Другие лежат прямо внутри генов, задевая как интроны, так и экзоны. Это уже более странно, поскольку обычно структура генов и белков довольно пластична, а многие нуклеотидные замены в пределах экзонов вообще не влияют на структуру кодируемого белка (так называемые синонимичные замены). Синонимичные замены в ходе эволюции обычно накапливаются вполне свободно.

Ученые заметили, что ультраконсервативные участки имеются во всех без исключения генах семейства SR (как мы помним, эти гены кодируют белки, участвующие в регуляции альтернативного сплайсинга). Детальный анализ экзон-интронной структуры этих генов позволил предположить, что они сами, по-видимому, подвержены альтернативному сплайсингу, причем в результате могут получаться такие мРНК, которые должны уничтожаться системой NMD. Чтобы проверить свои предположения, исследователи выделили из клеток продукты SR-генов — зрелые мРНК. Оказалось, что у каждого гена действительно имеется два альтернативных сплайс-варианта. Один из них представляет собой «нормальную» мРНК, которая может служить матрицей для синтеза полноценного SR-белка. Второй содержит преждевременный стоп-кодон и должен, по идее, уничтожаться цензурой. В живых клетках этот второй сплайс-вариант составляет 2–14% от общего числа молекул мРНК, синтезированных на матрице данного SR-гена.

Чтобы проверить, хорошо ли в данном случае работает цензура, исследователи отключили в клетках ген UPF1, о котором известно, что его белковый продукт необходим для работы системы NMD. В результате количество «бессмысленного» сплайс-варианта резко возросло. Это значит, что альтернативный сплайсинг в комплексе с системой цензуры действительно используется для регуляции количества SR-белков, производимых клеткой.

Авторы предполагают, что обнаруженная ими система регуляции работает по принципу отрицательной обратной связи. По-видимому, SR-белки могут контролировать альтернативный сплайсинг не только «чужих» мРНК, но и своих собственных. Чем больше производит клетка SR-белков, тем чаще они направляют сплайсинг своих мРНК по альтернативному пути, тем самым снижая темп производства новых SR-белков. Так поддерживается некоторое постоянство концентрации SR-белков в клетке.

Как мог возникнуть такой причудливый регуляторный контур? Ведь производство SR-белков вполне могло бы контролироваться каким-нибудь менее экзотическим способом — например, при помощи транскрипционных факторов (белков, прикрепляющихся к регуляторному участку гена и включающих или выключающих его транскрипцию, то есть прочтение). Видимо, в данном случае при создании контура обратной связи отбор просто «зацепился» за то, что ближе лежало — а именно за способность SR-белков контролировать альтернативный сплайсинг. Аналогичным образом, активность генов, кодирующих транскрипционные факторы, обычно регулируется не чем-нибудь, а транскрипционными факторами (хотя и исключений немало). Это характерный «почерк» эволюции, совсем не похожий на разумное проектирование, а похожий, скорее, на самосборку чего получится из чего попало.1

Десять генов, составляющих SR-семейство, родственны друг другу. Общий предок людей и мышей уже имел все десять, но у него самого когда-то был предок только с одним исходным SR-геном, от которого произошли все остальные путем последовательных дупликаций. Самое удивительное, что механизм саморегуляции с участием альтернативного сплайсинга и цензуры, судя по всему, возникал у разных представителей SR-семейства параллельно и независимо (происходило это еще до разделения эволюционных линий приматов и грызунов). Это видно из того, что преждевременные стоп-кодоны образуются у них в ходе альтернативного сплайсинга разными способами. У одних SR-генов имеется особый экзон со стоп-кодоном, который в норме вырезается из мРНК вместе с интронами. У других к концу мРНК, после «законного» стоп-кодона, может быть пришита пара-тройка лишних экзонов, в результате чего законный стоп-кодон с точки зрения системы цензуры начинает выглядеть как преждевременный. Очевидно, SR-гены имеют высокую предрасположенность к формированию таких регуляторных контуров.

«Ультраконсервативными» у людей и мышей обычно являются те участки SR-генов, которые непосредственно прилегают к преждевременному стоп-кодону — но не всегда и не только. Скорее всего, уникальный консерватизм этих участков обусловлен тем, что они необходимы для правильного сплайсинга. Проверить это предположение трудно, поскольку молекулярные механизмы сплайсинга нам практически не известны. Вместе с тем у асцидии Ciona (далекого родственника позвоночных животных) тоже есть SR-гены с альтернативными экзонами, несущими преждевременные стоп-кодоны. Нуклеотидные последовательности этих генов похожи на человеческие и мышиные, но всё же не идентичны им. Это значит, что «ультраконсервативность» в данном случае не является абсолютной.

Не исключено, что новооткрытый способ генной регуляции распространен довольно широко и затрагивает отнюдь не только гены — регуляторы сплайсинга. Дальнейшие исследования должны пролить свет на этот вопрос.

На мой взгляд, данное открытие говорит прежде всего о том, как мало мы еще знаем о жизни клетки и о возможных путях ее эволюционных изменений. Сколько еще подобных открытий предстоит сделать, прежде чем у нас появится достаточно оснований для построения всеобъемлющей эволюционной теории, или, как сейчас говорят, «нового эволюционного синтеза»? Думаю, много.

Источник: Liana F. Lareau, Maki Inada, Richard E. Green, Jordan C. Wengrod, Steven E. Brenner. Unproductive splicing of SR genes associated with highly conserved and ultraconserved DNA elements // Nature. 2007. V. 446. P. 926–929.

О других недавно открытых механизмах регуляции активности генов см. также:
1) МикроРНК тоже подвергаются редактированию, «Элементы», 26.12.2005.
2) Открыт новый механизм регуляции работы генов у бактерий, «Элементы», 12.12.2006.
3) Сложные РНК-переключатели — новый механизм регуляции генов, «Элементы», 18.10.2006.

Александр Марков


1 Видимая направленность и «целесообразность» эволюционного процесса, столь будоражащая умы философов и эволюционистов-теоретиков, при этом обеспечивается, по-видимому, тремя основными факторами: отбором удачных вариантов, общностью законов самоорганизации и характером комбинируемых «деталек», принципиальная совместимость которых обеспечивается тем, что все они исторически сложились как элементы функционально и конструктивно сходных между собой живых систем. — А. Марков


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • dims  | 21.04.2007 | 13:34 Ответить
    Насчёт того, что похоже, а что непохоже на разумное проектирование, любопытно прочитать вот здесь: http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=3305&start=0

    Можно ограничиться лишь первым сообщением :)
    Ответить
    • PavelS > dims | 22.04.2007 | 01:33 Ответить
      Не помню где, но доводилось читать про эволюцию вещей. Автомобиль первоначально был похож на конную коляску, от которой произошел, только коня не было. Первые электромоторы подражали паровым машинам, используя возвратно-поступательное движение, и т.д. Так что эволюционные принципы распространены много шире, чем можно подумать.
      Ответить
      • dims > PavelS | 22.04.2007 | 02:29 Ответить
        Это да. Но и в обратную сторону тоже: я пока не встречал такого критерия разумности, который бы удовлетворял одновременно следующим требованиям:
        1) под него подпадал бы реальный человек
        2) был бы достаточно универсальным, чтобы под него могло попасть инопланетное разумное существо или вообще явление, неизвестного заранее происхождения
        3) под него не подпадала бы эволюция
        Ответить
        • Александр Марков > dims | 22.04.2007 | 12:38 Ответить
          Как насчет такого критерия: способность решать новые задачи без применения метода проб и ошибок (случайного поиска). Степень новизны задач и частота, с которой решение достигается без использования указанного метода, будет мерой разумности.
          Ответить
          • dims > Александр Марков | 23.04.2007 | 04:55 Ответить
            Не уверен, что в этом случае под критерий подпадёт человек.
            Ответить
            • Александр Марков > dims | 23.04.2007 | 13:09 Ответить
              :-) А что, ведь есть мнение, что наш мозг на самом деле работает как автомат, а сознание и свобода воли - лишь некие иллюзорные эпифеномены. Есть данные, что в мозгу перед принятием какого-либо "сознательного" решения возникает характерный импульс, причем он возникает раньше, чем человек осознает, что он принял это решение. Может быть, и не разумные мы вовсе, а только притворяемся.
              Ответить
              • morphogenesis > Александр Марков | 17.06.2008 | 18:14 Ответить
                Уважаемыи Коллега, во первых насчет детерминированности мозгом согласится никак не могу, методы экспериментов не соответствуют поставленным вопросам. Кстати уже не раз было доказано: или эволюция факт, то человек свободное существо, либо если человек не разумное существо то говорить об эволюции нет смысла, потому как в неразумном мире нет разницы между ученым и не ученым, наукои и лженаукои, значит как теория эволюции так и любая другая теория имеют равное право на существование.
                Насчет эволюции: альтернатив кстати вовсе не две, ИД или случаи. Вы насколько я понимаю не сторонник классического синтеза, а делаете упор на макроэволюции. Каковы деиствительные механизмы и что есть самоорганизация далеко не тривиальныи вопрос. Можно перевернуть вопрос так, что окажется что специфическии характер самоорганизации в живом есть один из важнеиших факторов морфологическои, да и клеточнои эволюции. Если это так, то говорить о случаиности не имеет большого смысла. Некие закономерности канализuруют эту эволюцию. А где закономерности там опять и о плане можно говорить, но на следующем витке. Вообще вы представляете себе ваших оппонентов довольно примитивными существами, но это далеко не так. Достаточно вспомнить Шеллинга и Леибница.
                Ответить
        • Sklavit > dims | 16.05.2007 | 21:24 Ответить
          а что до: надежности, экономичности и удельной мощности?
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»