Среди мутаций, ощутимо влияющих на молекулярную жизнь клетки, видное место занимают те, от которых зависит точность и эффективность сплайсинга РНК.
Мутации – это изменения в генетическом тексте, то есть всевозможные замены, выпадения и вставки нуклеотидов в ДНК, как поодиночке, так и целыми группами.
Давно уже понятно, что мутации могут быть разными: какие-то вообще не оказывают эффект на жизнь организма, какие-то, наоборот, сразу меняют всю судьбу клетки. Мы знаем, что ДНК по содержанию неоднородна: в ней есть участки, в которых зашифрована аминокислотная последовательность белков, есть участки, в которых зашифрованы регуляторные молекулы РНК, есть фрагменты, которые сами по себе не несут информацию ни о белках, ни о регуляторных РНК, но зато влияют на активность других генов.
Раньше считалось, что наиболее «влиятельные» мутации попадают именно в белок-кодирующие участки ДНК. (Хотя стоит заметить, что и внутри таких фрагментов есть свои особенности – какие-то нуклеотиды в них особенно важны для правильного синтеза белка, какие-то нет.) С этим никто не спорит – конечно, если в клетке вместо нормального белка появится мутантный, не способный делать ту работу, которая от него требуется, то клетке придётся плохо.
Однако с развитием технологий, позволяющих всё более точно читать последовательность ДНК, и с развитием методов анализа, позволяющих сравнивать по определённым алгоритмам огромные массивы генетической информации, биологам и медикам стало постепенно понятно, что большая часть мутаций, связанных с какими-то болезнями, физиологическими особенностями или отклонениями, находится как раз в регуляторных зонах, которые сами белков не кодируют.
Поэтому нужно поскорее разобраться, как именно это происходит, то есть как те или иные изменения в регуляторных фрагментах ДНК сказываются на молекулярных процессах, происходящие с генетической информацией.
Как выяснили исследователи из Стэнфордского университета и Чикагского университета, львиная доля медицински важных мутаций приходится на те последовательности, от которых зависит правильность сплайсинга РНК.
Как известно, для синтеза белковой молекулы информацию с ДНК нужно скопировать на информационный посредник – матричную РНК. Но, в отличие от бактерий и архей, у всех эукариот (которым относится и человек) в матричной РНК, кроме «содержательных» кусков, в которых действительно есть информация для синтеза конкретного белка, есть ещё и «бессодержательные» куски, которые для синтеза белка не нужны.
«Содержательные» последовательности называют экзонами, «бессодержательные» – интронами. В том виде, в каком матричная РНК появляется на свет, с чередующимися интронами и экзонами, она для сборки белковой молекулы не годится. Поэтому между транскрипцией (то есть синтезом РНК-копии на ДНК-шаблоне) и трансляцией (то есть синтезом аминокислотной последовательности на матричной РНК) в эукариотических клетках втиснут сплайсинг – когда из РНК вырезаются все интроны.
Сплайсингом занимаются специальные белки, и самого сплайсинга есть несколько видов, но в целом весь процесс сводится к тому, чтобы в «необработанной» молекуле матричной РНК (её называют пре-мРНК) найти экзон-интронные границы, разрезать молекулу по ним, интрон выбросить, а оставшиеся концы экзонов срастить.
Границы между интронами и экзонами – это характерные последовательности нуклеотидов, и белки, занимающиеся сплайсингом, определяют их довольно точно. Легко можно представить, к чему приведёт мутация, попавшая пограничную зону: в обработанной, сплайсированной РНК может появиться преждевременный стоп-сигнал, и белок просто не будет синтезирован до конца, или же часть молекулы окажется бессмысленным набором аминокислот, и весь белок превратиться в мусор.
Считается, что около 15% всех наших болезней возникает как раз из-за мутационных неполадок в сплайсинге.
В течение нескольких лет Джонатан Причард (Jonathan K. Pritchard) и его коллеги с помощью разнообразных статистических методов подбирали к мутациям в человеческой ДНК возможные молекулярные последствия. Исследователей в первую очередь интересовало, как те или иные изменения в нуклеотидной последовательности сказываются на молекулярных признаках – то есть когда из-за них меняется уровень белка в целом, когда меняется интенсивность транскрипции и т. д. (Рассматривались только те нуклеотидные изменения, которые не меняют последовательность белков, так что, например, мутации в ферментах, осуществляющих транскрипцию или сплайсинг, в исследовании, так сказать, «не участвовали».) Всё это нужно было сопоставить с положением конкретных мутаций в цепочке ДНК.
В статье в Science авторы пишут, что самыми «сильнодействующими» мутациями были те, которые влияли на основные молекулярные механизмы, из-за которых менялась активность генов в целом. Однако не менее «влиятельными» оказались нуклеотидные варианты в тех участках ДНК, которые отвечали за точность и эффективность сплайсинга. Их набралось около 3 тысяч, и они оказались связаны с целым рядом болезней – например, особенно богат на сплайсинговые мутации оказался рассеянный склероз.
То, что неполадки в сплайсинге могут быть чреваты серьёзными неприятностями, кажется вполне очевидным, однако до сих пор никто не мог оценить статистическую взаимосвязь между соответствующими нуклеотидными вариациями и наглядными молекулярно-клеточными и физиологическими изменениями.
У каждого из нас в ДНК есть масса отличий, некоторые из них остаются без последствий, а некоторые – совсем наоборот, и, по-видимому, в ближайшем будущем специалисты в области медицинской генетики начнут уже целенаправленно изучать свойства нуклеотидных замен, вставок, делеций, имеющих отношение именно к сплайсингу.
Сами авторы исследования говорят, что многие из таких мутаций никак не влияли на молекулярное состояние клетки, и в дальнейшем нам ещё предстоит узнать, от чего зависит «влиятельность» спласинговой мутации, и какие механизмы позволяют клетке защититься от подобных неприятностей.