В эволюции приматов важную роль играл альтернативный сплайсинг

Люди и мыши

Человек отличается от мыши всего на один процент белок-кодирующих генов, зато внешне человека и мышь ни за что не спутаешь. На самом деле у человека по меньшей мере половина белков не похожа на мышиные, и получаются они за счет альтернативного сплайсинга. Изображение с сайта biopoliticaltimes.org

Известно, что у человека гигантское разнообразие белков достигается не путем увеличения числа белок-кодирующих генов, а за счет альтернативного сплайсинга — комбинирования разных участков одного и того же гена. Большая интернациональная группа ученых сравнила разнообразие и частоту сплайсинговых вариантов у представителей разных эволюционных линий позвоночных. Они обнаружили, что у всех приматов, а не только у человека, частота сплайсинга примерно в полтора-два раза выше, чем у мыши и других четвероногих. Какую бы ткань мы ни взяли, разнообразие альтернативных вариантов сплайсинга у приматов будет выше, чем у мыши, а у мыши будет выше, чем у лягушки. То есть особенности картины сплайсинга определяются не типом ткани, а биологическим видом. Накопление вариантов сплайсинга идет быстрее, чем изменение белок-кодирующих генов, во всех видах тканей, хотя соотношение скоростей того и другого процесса неоднородно для разных типов тканей. Эти закономерности существенно продвигают исследования новой темы: формообразование и эволюция путем альтернативного сплайсинга.

Альтернативный сплайсинг — устрашающий термин, обозначающий довольно простое и важное биологическое явление. Его суть состоит в том, что считанная с ДНК последовательность РНК в ходе последующей обработки — созревания — может быть по-разному реорганизована. Сырая, незрелая РНК, или РНК-транскрипт, состоит из экзонов и интронов — смысловых и бессмысленных частей. В ходе созревания РНК интроны вырезаются, а экзоны — смысловые части — сшиваются, и получается зрелая матричная РНК определенного белка. Этот процесс называется сплайсингом. Однако есть тут одна хитрость. Сшиваться могут не все экзоны, и в разных условиях разные экзоны отбрасываются вместе с интронами. В результате этой сшивки получаются разные варианты, или изоформы, того или иного белка, а весь процесс носит название альтернативного сплайсинга. Таким образом, из одного гена может быть в конечном итоге получено несколько разных белков.

Альтернативный сплайсинг, открытый в конце 70‑х годов прошлого века у аденовирусов, как выяснилось, играет огромную роль в адаптациях всех живых существ. Он предоставляет клетке превосходную возможность разнообразить репертуар своих полезных белков, не меняя при этом самого гена. И все живые организмы вовсю пользуются этим адаптационным механизмом для придания белкам необходимых функциональных и регуляторных свойств. Недавно, например, выяснилось, что у человека 94% генов подвергаются альтернативному сплайсингу (см.: Почти все человеческие гены кодируют более одного белка, «Элементы», 08.11.2008). Так, альтернативный сплайсинг гена человека CD44 может породить более тысячи разных вариантов белка. У нематоды Caenorhabditis elegans генов примерно столько же, сколько и у человека, но альтернативный сплайсинг проходят только 12% из них. Очевидно, что, поскольку геномы человека и нематоды относительно близки, различие между двумя столь несходными видами достигается именно за счет альтернативного сплайсинга.

Колоссальный объем альтернативного сплайсинга стал понятен только в последние несколько лет. Считалось, что разнообразие белков определяется разнообразием генов. Однако потом выяснилось, что у человека, например, генов существенно меньше, чем предполагали на основе оценки протеомного массива: не 100 тысяч, а всего 25–30 тысяч. Значит, разнообразие белков в организме определяется не только генами, но и чем-то еще. И это «что-то» включает и использование разных белковых изоформ. Манипулируя изоформами белков, организм может получить адаптивные свойства. И вот к альтернативному сплайсингу начинают приглядываться эволюционисты. Какова роль альтернативного сплайсинга в эволюции живого? Пока решение этой проблемы практически не начато. За нее взялись ученые из Университета Торонто, Лиссабонского университета и Кембриджского университета под руководством Бена Бленкоу (Ben Blencowe). Они исследовали сходство и различие сплайсинга у разных животных: лягушки, ящерицы, курицы, утконоса, опоссума, мыши и нескольких видов приматов (макаки, орангутана, шимпанзе и человека).

В основе исследования лежало эмпирическое знание, что специфичность тканей и строения клеток в тканях обеспечивается вариациями сплайсинга одних и тех же генов. Это означает, что эволюция сплайсинга может нацеливаться на совершенствование тканевых функций, а может исходить из необходимостей и истории конкретного вида. В первом случае у разных животных в одной и той же ткани, например в клетках печени, будут реализованы сходные варианты сплайсинга. Эти варианты будут разниться со сплайсингом в другой ткани, например в мышечной, но в то же время мышечные ткани человека и мыши окажутся схожими. Во втором случае сплайсинг в печени и мышцах у человека обнаружит больше общего, чем сплайсинг в одной и той же ткани у человека и мыши (рис. 1).

Схема, отражающая идеологию исследования

Рис. 1. Схема, отражающая идеологию исследования. Светло-желтый экзон может присутствовать или отсутствовать в зрелой матричной РНК (такой экзон называют кассетным), в результате чего получаются разные версии белков (показаны зелеными и розовыми шариками) в тканях животных. Сплайсинг может зависеть от биологического вида (правые, верхние, ряды шариков), а может определяться спецификой тканей (нижние, левые, ряды шариков). Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Ученые определили РНК-транскрипты из разных тканей (коры мозга, мозжечка, переднего мозга, сердца, мышц, печени, почек и семенников) девяти видов животных и человека. Также определили все возможные варианты сплайсинга в родственных (ортологичных) генах у всех 10 видов. На основе этой информации выявили долю общих экзонов, которые участвуют в альтернативном сплайсинге в разных тканях у разных видов. Оказалось, что у человека и обезьян частота сплайсинга примерно в два раза больше, чем у всех других животных, какую бы ткань мы ни взяли. Самую сложную сплайсинговую комбинаторику продемонстрировали гены белков цитоскелета.

Частота случаев альтернативного сплайсинга в ортологичных генах у разных животных и человека по отношению к минимальному разнообразию

Рис. 2. Частота случаев альтернативного сплайсинга в ортологичных генах у разных животных и человека по отношению к минимальному разнообразию (к частоте таких случаев в почках лягушки). По оси абсцисс отложено время расхождения эволюционных линий позвоночных, представленных в данном исследовании. Во всех тканях (они обозначены разными цветами) у приматов примерно в два раза выше частота альтернативного сплайсинга. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Авторы исследования заключают также, что разнообразие альтернатив накапливается по ходу эволюционного развития. Действительно, как хорошо видно из рисунка 2, у млекопитающих по мере углубления в эволюционную историю число сходных с человеком сплайсинговых вариантов снижается. Чем ближе к человеку и другим приматам — а это последняя отделившаяся филогенетическая линия в этом ряду, — тем меньше различий в вариантах сплайсинга. Значит, частота и разнообразие альтернативного сплайсинга эволюционируют по ходу изменения и адаптации представителей филогенетической линии, а не специализации той или иной ткани. Иными словами, разнообразие сплайсинговых вариантов зависит в первую очередь от вида животного, но не от типа ткани. Напротив, общее разнообразие всех экспрессируемых генов определяется типом ткани, а не видом животного.

Получены и приблизительные оценки скорости накопления сплайсингового разнообразия и разнообразия самих генов: сплайсинг дает в полтора-два раза большую скорость накопления новых вариантов, чем прямые мутации. Любопытно, что скорость накопления вариантов сплайсинга в разных тканях неодинакова и отличается от скорости мутирования тканеспецифичных генов. Например, быстрее всего появляются мутации в генах семенников, а вот накопление разнообразия сплайсинговых вариантов в семенниках идет со средней скоростью, примерно такой же, как и в сердце, печени и почках (рис. 3). Этот результат показывает, что полезные мутации в генах появляются и закрепляются реже, чем появляются и закрепляются варианты альтернативного сплайсинга.

Процент одинаковых случаев альтернативного сплайсинга у человека по сравнению с другими девятью видами животных

Рис. 3. Процент одинаковых случаев альтернативного сплайсинга у человека по сравнению с другими девятью видами животных. Для каждой ткани (см. легенду во врезке) подсчет велся отдельно. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

При этом картина эволюции сплайсинга несколько видоизменяется, если анализировать более ограниченный набор животных: лягушку, курицу, мышь и человека. То есть нужно отбросить родственных человеку обезьян, чтобы не путали сравнение отдаленных линий; отбросить ящериц, близких по времени дивергенции к птицам. У этого урезанного набора животных нашелся 41 общий экзон (рис. 4). И именно эти общие для всех консервативные экзоны снова проанализировали.

Общие экзоны, которые участвуют в альтернативном сплайсинге, у человека, мыши, курицы и лягушки. Видно, что у всех этих четырех животных вместе есть 41 общий экзон

Рис. 4. Общие экзоны, которые участвуют в альтернативном сплайсинге, у человека, мыши, курицы и лягушки. Видно, что у всех этих четырех животных вместе есть 41 общий экзон. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Эти консервативные экзоны неожиданно продемонстрировали у всех видов специфическую для каждой ткани картину сплайсинга. Она, оказывается, определяется не биологическим видом, как в целом для всех альтернативных вариантов, а типом тканей. Очевидно, что удачные эволюционные находки, регулирующие функции тканей, кочуют из одной эволюционной линии в другую и мало меняются. Самую консервативную картину сплайсинга у разных видов продемонстрировали гены, связанные с синаптическими передачами, проведением нервных импульсов, развитием нервной ткани.

Таким образом, мы видим, что в некоторых тканях адаптации происходят больше с помощью мутирования белок-кодирующих генов, в других они связаны с альтернативным сплайсингом. С чем связан выбор того или иного пути — пока неизвестно.

Источники:
1) Nuno L. Barbosa-Morais, Manuel Irimia, Qun Pan, Hui Y. Xiong, Serge Gueroussov, Leo J. Lee, Valentina Slobodeniuc, Claudia Kutter, Stephen Watt, Recep Çolak, TaeHyung Kim, Christine M. Misquitta-Ali, Michael D. Wilson, Philip M. Kim, Duncan T. Odom, Brendan J. Frey, Benjamin J. Blencowe. The Evolutionary Landscape of Alternative Splicing in Vertebrate Species // Science. 2012. V. 338. P. 1587–1593.
2) Panagiotis Papasaikas, Juan Valcárcel. Splicing in 4D // Science. 2012. V. 338. P. 1547–1548.

Елена Наймарк


16
Показать комментарии (16)
Свернуть комментарии (16)

  • Olexa  | 27.12.2012 | 09:11 Ответить
    Ссылочка на CD44 битая.
    Ответить
  • Bedal  | 27.12.2012 | 10:37 Ответить
    нетрудно заметить, что всё описанное имеет смысл, только если вариация сплайсинга, характерная для данного вида и ткани, каким-то образом передаётся по наследству. И каким же? Интересно было бы узнать ответ на этот вопрос. Как именно формируется вариант сплайсинга, характерный именно для данного типа ткани, при дифференциации клеток?
    Без этого статья похожа на плоскую скульптуру - прямо смотришь, вроде всё здорово, сбоку заглянул - а там ничего и нет.
    Ответить
    • chech > Bedal | 27.12.2012 | 12:51 Ответить
      Так ведь сплайсинг одних белков регулируется другими белками, которые кодируются другими генами. В итоге, мне кажется, получается примерно так: в гене белка-регулятора сплайсинга происходит небольшая мутация, которая приводит к появлению большого количества разновидностей сплайсинга.
      Ответить
      • Bedal > chech | 27.12.2012 | 16:37 Ответить
        Спасибо за ответ, но пока у меня не сложилось:
        речь-то о том, что один и тот же ген в нескольких операциях построения белка работает по-разному, отчего и получается много белков. Если, как Вы предлагаете, мутировал "управляющий ген" - изменился "управляющий белок", но с какой стати "управляющий белок" в _разных_случаях_ управляет по-разному? И не случайно по-разному, а в некоторой фиксированной пропорции?

        На самом деле вопрос в том, что формулировка "разнообразие белков достигается во многом не путем увеличения числа белок-кодирующих генов, а за счет альтернативного сплайсинга" означает, что последовательность белок->ген заменяется управлением во времени, ведь одна и та же группа генов (включая управляющие) в разных случаях строит разные белки. Где механизм фиксации того, в каком случае какой должен производиться и где механизм наследования этого?

        Всё-таки пока мне это представляется картонной скульптурой (я не возражаю, а просто не понимаю). Хотелось бы более полного описания
        Ответить
        • chech > Bedal | 27.12.2012 | 18:44 Ответить
          Активность белков-регуляторов (да и любых других белков) зависит от среды, в которой они находятся. В коже одна химическая среда, в мозге - другая. Поэтому разные регуляторы в разных тканях работают с разной силой.
          Ответить
          • Bedal > chech | 28.12.2012 | 08:09 Ответить
            это-то, опять же, понятно. Однако разницу сред тоже надо задать довольно строго. В общем, не стоит мучать себя рекурсивными определениями, как картон не загибай - скульптура не получится. Это я больше к себе отношу, не воспримите как критику.
            Ответить
            • Olexa > Bedal | 28.12.2012 | 14:45 Ответить
              Так одни белки могут не зависеть от среды, а другие — зависеть. Вот Вам и разница. Я так понимаю.
              Ответить
            • EnigMan > Bedal | 31.12.2012 | 19:19 Ответить
              Вы правильные вопросы задаете, только ответов Вы на них пока не найдете, т.к. это передовой край исследований. Не так давно и про эпигенетику ничего не говорилось, а тут как прорвало. Давайте подождем, и со временем нам все расскажут :)
              Ответить
        • Fangorn > Bedal | 01.01.2013 | 22:33 Ответить
          Как уже писалось, управляющий белок узнает определенные нуклеотидные последовательности в интроне (у границы с экзонами) и по ним "вырезает" интроны. Т.е. в одном типе тканей один управляющий белок, а в другом - другой, и поэтому вырезают они по-разному.
          При этом "управляющие белки" у разных организмов могут быть одинаковыми. А эволюционные изменения касались количества и расположения этих "определенных нуклеотидных последовательностей в интронах", по которым идет вырезание. Это - не единственно возможная версия, но самая простая.
          Ответить
  • Вячеслав Рогожин  | 30.12.2012 | 15:48 Ответить
    Читаю в "шапке": "То есть особенности картины сплайсинга определяются НЕ типом ткани, а биологическим видом".
    Но далее: "Самую сложную сплайсинговую комбинаторику продемонстрировали гены белков цитоскелета".
    Соответственно, видимо, следует понимать, что особенности картины сплайсинга определяются и типом ткани тоже (что и подтверждается в дальнейшем).
    В целом - познавательно, спасибо.
    Ответить
  • Альтер  | 30.12.2012 | 23:57 Ответить
    Иными словами, разнообразие сплайсинговых вариантов зависит в первую очередь от вида животного, но не от типа ткани. Напротив, общее разнообразие всех экспрессируемых генов определяется типом ткани, а не видом животного.
    ===================
    Поясните фразу, пожалуйста

    иначе сказать, что сплайсинг способствует образованию новых типов тканей при неизменном количестве и разнообразии экспрессируемых генов?
    Ответить
  • hongma  | 31.12.2012 | 20:14 Ответить
    А попросту говоря - основное отличие видов не в белок-кодирующих последовательностях ДНК, а в регулирующих- в тех, в которых записана информация о сплайсинге, в том числе и с учетом типа ткани.
    Ответить
  • -claim-  | 04.01.2013 | 18:32 Ответить
    [q]Человек отличается от мыши всего на один процент белок-кодирующих генов, зато внешне человека и мышь ни за что не спутаешь. [/q]

    По поводу одного процента отличий между мышью и человеком загнули. Смотрим здесь, на 4/5 (80 процентов)
    http://www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090526202722.htm

    А здесь несомненных ортологов насчитали меньше половины
    http://hmg.oxfordjournals.org/content/12/7/701.full

    Дидактически невыверенная ремарка в заметке, в общем. Может, с шимпанзе перепутали? Там счет вели единицами процентов.
    Ответить
    • VladNSK > -claim- | 05.01.2013 | 10:34 Ответить
      Вы имеете в виду весь геном, тогда как в статье говорится только о белок-кодирующих генах. Я не биолог, но думаю, что это все-таки не одно и то же.
      Ответить
      • -claim- > VladNSK | 05.01.2013 | 12:23 Ответить
        Значит, не биолог.
        Ответить
      • Fangorn > VladNSK | 05.01.2013 | 17:39 Ответить
        В ссылках, приведенных -claim-, речь именно о белок-кодирующих генах.
        Там отличия между человеком и мышью составляют десятки процентов.
        Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»