Альтернативный сплайсинг

Биоинформатик Михаил Гельфанд о прерывистой структуре гена, увеличении разнообразия генов и эволюционной пользе альтернативного сплайсинга

Есть центральная догма молекулярной биологии, которую сформулировал Фрэнсис Крик: ДНК делает РНК, РНК делает белок. Есть основной процесс, а именно транскрипция — это копирование информации из ДНК в РНК. И есть трансляция — это чтение РНК и, соответственно, синтез белка на основе тех инструкций, которые есть в РНК. Для школьного учебника этого достаточно.

Для университетского учебника уже надо понимать, что между транскрипцией и трансляцией много чего происходит. Вернее, так: у бактерий не происходит ничего, а у нас с вами, то есть у организмов, у которых есть ядро, происходят изменения. Когда прочитывается транскрипт в ядре, он, перед тем как попасть в цитоплазму и начать работать как матричная РНК, чтобы синтезировался белок, сильно меняется. Это называется «процессинг».

Фрагмент ДНК — это ген, который непрерывно кодирует белок. Это то, к чему привыкли люди, которые работают с бактериями. Ведь изначально молекулярная биология строилась на изучении бактерий — просто потому, что их выращивать легче. Оказалось, что у нас гены устроены не так. У нас они разбиты на отдельные кодирующие участки, которые называются «экзоны». А между ними имеются вставки, которые ничего не кодируют. За это открытие была присуждена Нобелевская премия 1993 года британскому биохимику Ричарду Робертсу и американскому генетику Филлипу Шарпу. Они увидели это явление экспериментально в электронный микроскоп. Гибридизовали ДНК и РНК, и появились большие петли ДНК, которые с РНК не гибридизуются. При гибридизации соответствующие друг другу участки просто спариваются в такую же двойную спираль, как уотсон-криковская, только не ДНК-ДНК, а ДНК-РНК. В норме есть одна нить ДНК и другая нить ДНК. А дальше вы можете одну нить взять ДНК, а другую нить РНК и точно так же гибридизовать. Там, где РНК прочитана с ДНК, она гибридизуется, потому что она комплементарна. Процесс транскрипции устроен на тех же комплементарных парах. Там, где в ДНК было что-то лишнее, что в РНК не попало, образуется петля. Это ученые и увидели в микроскоп и поняли, что в ДНК есть лишние вставки.

Для людей с филологическим образованием надо представить себе журнал с рекламными вставками или телепередачу, в которой есть основной текст, а внутри него реклама. У моей сестры был чудесный в свое время магнитофон, который записывал передачи, которые ей интересны, и при этом рекламные паузы убирал. Это в чистом виде сплайсинг. Отдельный хороший вопрос — откуда он взялся, зачем это вообще нужно? Эволюционно, по-видимому, это возникло в момент, когда появились первые эукариоты, клетки с ядром. Интроны, по-видимому, были паразитами, а сплайсинг был способом чистить от них гены. Мы видим, что на самом деле большинство генов действительно имеют интроны. Получается, у вас есть процесс сплайсинга, то есть процесс вырезания бессмысленных вставок на уровне транскрипта. Вернее, транскрипт читается так, как он есть, а в ядре дозревает, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются друг с другом.

Вы можете какой-то экзон в части транскриптов оставить, а в части транскриптов вырезать. В результате у вас с одного гена прочитаются разные белки: у одного будет дополнительная вставка, а у другого ее не будет. Или, например, вы можете сделать два разных экзона, так что в часть матричных РНК вставится один из этих экзонов, а в часть — другой. И опять у вас будут белки, которые всюду тождественны, но на каком-то одном участке различаются. Альтернативный сплайсинг — ситуация, когда у вас есть белки, которые частично тождественны, а частично совсем разные.

Оказалось, что очень многие гены альтернативно сплайсируются. Довольно долго считалось, что это некоторая экзотика. В Нобелевской лекции Шарпа была оценка, что примерно 5% человеческих генов альтернативно сплайсируются. Когда мы начали массово изучать матричные РНК, когда появились методы, которые позволяют определить последовательности РНК сразу у очень большого количества генов, то оказалось, что альтернативно сплайсируется примерно треть генов. Потом оказалось, что даже больше. То есть это не экзотика, а массовый процесс. По-видимому, это эволюционно удобная вещь. Школьное понимание альтернативного сплайсинга говорит о том, что это механизм, который позволяет увеличить разнообразие белков, не увеличивая количество генов. До некоторой степени это ерунда, потому что если вам нужно разнообразие белков, то вы можете наплодить сколько угодно генов. Только 2% нашего генома кодируют белки, все остальное — это интроны, межгенные участки, повторы. Если тебе нужно в два раза больше белков, то сделай в два раза больше генов. Геном от этого не увеличится. По-видимому, на самом деле эволюционная причина того, что альтернативный сплайсинг существует, в другом.

Одна вещь примерно понятна, когда вам нужны белки, которые в каких-то частях абсолютно тождественны, а в других частях, наоборот, разные. Самый простой пример — это рецепторы и антитела. У вас есть клетка иммунной системы, которая может узнать чужеродный антиген и начать производить антитела против этого антигена. У нее есть рецептор, который узнает, и есть секретируемый иммуноглобулин, антитело, узнающее то же самое. Клетка начинает продуцировать антитело, только узнав этот антиген. Но теперь ясно, что рецептор и сам иммуноглобулин должны обладать одной и той же специфичностью. Немного глупо узнать какой-то антиген и начать делать антитело против другого антигена. Белки при этом разные: один — это мембранный рецептор, он заякорен в мембране, и у него выделяется только распознающая часть, а другой секретируется. Есть здоровый белок, который, наоборот, из клетки выходит, узнает. И у него есть еще много частей, которые обеспечивают уничтожение антигена и после этого взаимодействуют с остальными частями иммунной системы. Все это вы делаете альтернативным сплайсингом.

Есть общая часть, которая имеется во всех прочитанных матрицах и осуществляет распознавание. Разные части, получающиеся альтернативным сплайсингом, отвечают за разную функцию. Вы не можете это сделать двумя генами. Вы в данном случае верховный генный инженер. Как только вы это сделали двумя разными генами, у вас начинают накапливаться независимые мутации в распознающих частях одного и другого, и даже если они сначала были идентичны, то случайный мутационный процесс их растащит.

По-видимому, эволюционная польза альтернативного сплайсинга ровно в том, что довольно часто нам нужны не схожие белки, а белки, похожие в очень специальном смысле: где-то они тождественны, а где-то совсем не похожи. А с другой стороны, в общем смысле альтернативный сплайсинг полезен, потому что делает эволюцию более подвижной. Мы наблюдали, что альтернативно сплайсируемые экзоны — это довольно часто молодые экзоны, которые возникли недавно. У человека он есть, а у мыши — нет. Ген один и тот же, у человека есть дополнительный экзон, которого нет у мыши, и, скорее всего, это будет альтернативно сплайсируемый экзон. В молекулярной эволюции, по-видимому, такая ситуация встречается довольно часто.

Сплайсинг часто ошибается. То есть вырезание экзонов не абсолютно стопроцентно проходит правильно. У вас получаются матрицы с ошибками: что-то у них вырезано не то, что-то у них вставлено не то. Есть специальный механизм подавления, уничтожения этих ошибочных матричных РНК. Опять-таки филологам будет приятно, что есть специальный механизм уничтожения ерунды. Так и называется nonsense-mediated decay.

С другой стороны, это чудесная возможность экспериментировать с новыми функциями. Если матрица, ошибочно сплайсированная, по какой-то причине не уничтожится, то у вас получится белок, который в большинстве частей такой же, как был до него, правильно прочитанный, а какая-то часть немного другая. Она вполне может модифицировать функцию. Как работает эволюция? Это случайные изменения и отбор, который на них действует. И здесь у нас получается чудесный механизм порождения исходного разнообразия, большая часть которого ерунда, но что-то может оказаться минимально полезным. Если из-за ошибки сплайсинга получается полезный продукт, то дальше включаются механизмы положительного отбора. Это описанная миллион раз дарвиновская классическая эволюция. Дарвин примерно об этом и писал, он просто слов таких не знал. Постепенно у вас появился белок с новой функцией. И это, помимо всего прочего, оказался чудесный механизм увеличения разнообразия. Но только не в том смысле, что мы у одного организма увеличиваем разнообразие, а порождение разнообразия в эволюционном смысле. Это второй эволюционный смысл альтернативного сплайсинга.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: