12088 (Опять актуален вопрос: что такое ген?), страница 2

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю

Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр

Сплайсиитбцнгорлю + еолдр + ситьц

Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц

Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю

Таким образом, если в гене есть N интронов, то для сплайсинга необходимо N стадий вырезания интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдёт ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид из экзона — это приведёт к тому, что ген свою функцию не выполнит и „наказанием“ за такую неточность будет или смерть, или тяжёлое нарушение жизнеспособности, что в ряду поколений кончится тем же летальным исходом.

Для чего же такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность? А для

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

В этом „гене“ 12 экзонов и 12 интронов. Если в 12 стадий удалить поочерёдно все интроны, то получится название особого типа сплайсинга:

Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

И вот в чём смысл альтернативного сплайсинга: некоторые, чётко определённые экзоны вырезаются вместе с интронами. И тогда из

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

Получится:

Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

Альт + ища + цуюофе + ол + жиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

нативный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

наивный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюутха + про + бюу + ьцф + ооопс

левый + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцф + ооопс

лев + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцфыйооопс

В итоге, из одного, казалось бы, бессмысленного слова, получено шесть вполне осмысленных. А если это слово — ген?

Один ген — множество белков

Действительно, путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально разных белков. На данный момент известное максимальное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40 000! (Сумма прописью — сорок тысяч). Например, ген дрозофилы, который кодирует один из белков рецептора, аксона за счёт альтернативного сплайсинга может приводить к образованию 38016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов. Но все ли гены экспрессируются за счёт альтернативного сплайсинга? Согласно текущим знаниям, по крайней мере, 74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга!

Теперь самое время задаться вопросом: что такое ген?

Ген (эукариотный) это длинная и преимущественно случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и их объединения в строго определённой очерёдности, кодировать определённую функцию.

Особо отметим, что при альтернативном сплайсинге порядок расположения экзонов не нарушается. В окончательном варианте сплайсированной РНК некоторые экзоны могут присутствовать или отсутствовать, но местами они не меняются. Например, в окончательно сплайсированной РНК экзоны 1–2–3–4–5–6 могут быть в последовательности 2–4–6, но не в последовательностях 4–2–6 или 6–4–2. Таким образом, из одного и того же транскрипта гена, используя разные варианты распознавания, вырезания и соединения разных экзонов можно получить множество разных изоформ белков, у которых будут общими некоторые аминокислотные последовательности, но которые будут отличаться по своим функциональным свойствам. И то, что сначала наивно полагали бессмысленным — интроны, перемежающие гены, на самом деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счёт ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этих смыслов. Путь альтернативного сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими её состояние. В ответ на изменение физиологической ситуации из одного и того же гена реализуются разные функции.

Весьма принципиально, что при эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает. На основе статистического анализа сделаны выводы, что размер генома коррелирует с общей длиной интронов, содержащихся в гене данного вида; интроны беспозвоночных короче, чем интроны генов человека, а интроны дрожжей короче, чем интроны беспозвоночных. По мере усложнения организмов увеличивается и длина интронов. В общем, в гене суммарная длина интронов может превосходить суммарную длину экзонов в десятки и сотни раз.

Если секвенирование (определение нуклетотидной последовательности, от англ. sequence — последовательность) эукариотных генов привело к ошеломляющему открытию их мозаичной структуры, то массовое секвенирование целых геномов разных организмов привело к результатам просто изумляющим. У мыши, человека у рыбы фугу (рыба шар) количество генов практически одинаково — 30000 — 40000. Что же тогда определяет эволюционную сложность?

Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99%! Почему же мы так не похожи на мышей?

Может быть и потому, что несмотря на то, что наши гены похожи на мышиные, у нас альтернативный сплайсинг идёт или по другому пути, или более множественный. Или и то и другое одновременно. Ведь не зря же по мере прогрессивной эволюции среднее количество интронов (а значит, и экзонов), приходящихся на один ген, возрастает? Ведь это расширяет спектр белков, потенциально кодируемых одним геном. Не так ли? И в результате из-за разного альтернативного сплайсинга из почти одних тех же генов получается или мышь, или шимпанзе, или тот, кто в данный момент читает эти строки.

Альтернативный сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Материал эволюции — генетическое разнообразие, а двигатель — естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг приводит к такому разнообразию белков, что… Посудите сами. Комбинация только из трёх генов, каждый из которых может кодировать только 1 000 вариантов белков, даёт 1 000 000 000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трёх белков). А если таких генов 1000? А если 10000?

Каковы молекулярные механизмы эволюции? Как происходит видообразование? Поисками ответов на эти вопросы занимаются такие новые научные направления, как молекулярная генетика развития и эволюционная биология развития (по-английски сокращённое название этой волнующей науки звучит очень романтично — evodevo, от evolutionary developmental biology). Большие успехи в выяснении молекулярных механизмов эволюции делает сравнительная геномика. которая с помощью мощнейших методов компьютерного анализа анализирует и сравнивает гены и геномы разных организмов.

Итак, открытие принципов организации и экспрессии эукариотных генов поставило перед наукой новые проблемы и новые задачи. Это нормально. А что дали эти открытия для практики?

Не приведёт ли альтернативный сплайсинг к банкротству геномных фирм?

Проект „Геном человека“ — секвенирование генома Homo sapiens, содержащего около 3 млрд нуклеотидов, по свой научной значимости и амбициозности сравнивают с программой пилотируемых полётов на Луну „Аполлон“. Стоимость этих программ соизмерима. Миллиарды долларов. Но инициаторы проекта „Геном человека“, кроме научных целей имели ещё и грандиозные планы практического использования генетической информации, которая должна быть получена в результате его выполнения. А там, где практическое использование — там и коммерческий интерес. Предполагалось, что информация о строении генома человека будет полезна для ранней молекулярной диагностики наследственных заболевания и для их лечения путём, так называемой, заместительной генетической терапии (дефектный ген замещается на нормальный). Планировалась, что информация о геноме человека приведёт к революции в разработке нового поколения лекарственных препаратов, создаваемых на основе знаний о нарушениях функционирования определённых белков. Если знать, как кодируется и экспрессируется конкретный белок, приводящий к первопричине заболевания, то будет возможным, как полагалось, создать такие искусственные молекулы, которые будут направленно, а не в слепую, исправлять патологические процессы уже на молекулярном уровне. А это, как прогнозировалось, может принести многомиллиардные прибыли. Но сначала были необходимы многомиллионные инвестиции. И они были сделаны. Были созданы коммерческие фирмы, которые проводили секвенирование генома человека. Информация о нуклеотидных последовательностях генов, которая, как полагалась, может привести к разработке новых методов диагностики и терапии, патентовалась.

Но разве нуклеотидная последовательность эукариотного гена даёт однозначную информацию о том, какой именно белок он кодирует? Нет. Всё зависит от пути альтернативного сплайсинга. А этих путей для одного гена может быть почти 40000. Выделить и охарактеризовать все 40000 белков и установить, из-за какой именно изоформы белка происходит патология задача практически не решаемая. По крайней мере, пока. И знаменитый дешифровальщик генома человека Крейг Вентер, бывший директор геномной фирмы Celera Genomics, круто меняет направление своего бизнеса. Теперь он занимается массовой дешифровкой геномов бактерий. Его научный корабль бороздит волны Саргассова моря (в районе Бермудского треугольника), научные сотрудники отлавливают морских микробов и секвенируют их геномы прямо на корабле. Суммарная длина всех уже просеквенированных нуклеотидных последовательностей — более 1 млрд нуклеотидов, она относится к 1800 видам бактерий, из которых 148 видов ранее известными не были. Цель проекта — поиск новых генов, имеющих прикладное значение. Разумеется, работать с прокариотными генами несоизмеримо проще: один ген — один белок. Если Крэйг Вентер уже подал в отставку с должности директора, то директор другой крупнейшей геномной фирмы Human Genome Science — Уильям Хэзелтайн пока только объявил, что собирается „перейти на другую работу“.

Разумеется, совершенно непредвиденная сложность эукариотных генов и механизмов их экспрессии не должны приводить нас в отчаяние и разочарование. Наоборот, чем сложнее задачи, тем более интересными и неожиданными будут их решения. А они обязательно будут.

Что ж, изобретя мозаичный ген и альтернативный сплайсинг, эволюция преподнесла своему результату — Человеку разумному ошеломляющий сюрприз.

Но благодаря этому изобретению, благодаря альтернативному сплайсингу из мозаики экзонов и интронов выросло чарующее Древо Прогрессивной Эволюции Жизни.

Список литературы

1. Жимулев И.Ф., Общая и молекулярная генетика; Учеб. пособие.-2-е изд., Новосибирск: Сиб.унив. изд-во, 2003, 479 с.; ил.

2. Modrek B, Lee C., A genomic view of alternative splicing. Nature Reviews, 2002, v.30, №1, 13-19.

3. Silverman P H, Rethinking Genetic Determinism: With only 30 000 genes what is it that makes humans human? The Scientist, 2004, May 24, v.18, № 10.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru