Диссертация (1145736), страница 9
Текст из файла (страница 9)
2013).В начале интрона 10 гена Nxf1 млекопитающих есть стоп-кодон, расположение которогоконсервативно (Рис. 13). В результате трансляции интрон-содержащего транскрипта получаетсяукороченный белок, в котором последние 18 аминокислот транслируются на основаниипоследовательности интрона 10. С применением антител к участку белка человека,кодируемому последовательностью интрона, в клетках HEK293T, CMT3-COS и HeLa былвыявлен короткий белок Hs NXF1, кодируемый транскриптом с сохранённым интроном. Этотбелок содержит 356 аминокислот вместо 619 (Li et al. 2006). Аналогичный короткий белок припомощи того же подхода был обнаружен у домовой мыши (Li et al. 2016).Рисунок 13.С-терминальныйконецбелкаNXF1млекопитающих,предположительнотранслируемого с альтернативного транскрипта, в котором сохраняется интрон 10 (Mamon et al.2013).Сохранение гомологичного интрона в транскриптах Nxf самых разных организмов (отнематоды до человека), а также тот факт, что транскрипты с сохранённым интроном кодируютбелок, предполагают функциональную значимость этого типа альтернативного сплайсинга длягенов Nxf.
Рассмотрим, какие функции могут выполнять интроны.381.3.5 Некодирующие РНК и интроны в эволюцииСохранение интрона – один из типов альтернативного сплайсинга, особеннораспространённый у растений (Galante et al. 2004). За последние годы было показано, чтоинтроны регулируют множество клеточных процессов и являются необходимым элементомгенома эукариот.По данным геномного секвенирования с усложнением уровня организации эукариот непроисходит существенного увеличения количества белок-кодирующих генов.
Размер коровогопротеома Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster одинаков и всего вдвое больше, чему дрожжей и некоторых бактерий (Chervitz et al. 1998; Rubin et al. 2000), а 99% белоккодирующих генов человека такие же, как у мыши (по Mattick and Gagen, 2001). На самом жеделе лишь небольшая часть генома многоклеточных организмов занята белок-кодирующимипоследовательностями – у человека около 1,2%, при этом транскрибируется около 60% генома(Ensemble Human Genome, version 34b). Отчасти увеличение сложности высших эукариот можетбыть связано с продукцией с одного гена разных белковых изоформ путём альтернативногосплайсинга (Croft et al,. 2000). Основное же увеличение размера генома многоклеточных всравнении с одноклеточными связано с преобладанием некодирующих межгенных иинтронных последовательностей (Frith et al.
2005). Такие последовательности у человека,например, составляют до 97-98% транскрибируемой части генома. Таким образом,большинство информации у высших эукариот сосредоточено не в белок-кодирующихпоследовательностях, а в РНК (Mattick and Gagen, 2001).Некодирующие РНК (нкРНК – ncRNAs – non-coding RNAs) долгое время рассматриваликак транскрипционный шум или побочный продукт реализации генетической информации напути от ДНК к белку. Термин «некодирующие РНК» означает, что такие РНК не кодируютбелок, но это отнюдь не значит, что они не содержат информации или не имеют функции.
Запоследние годы обнаружены тысячи нкРНК у человека, мыши и других видов, и показано, чтонкРНК регулируют множество клеточных процессов. Сейчас нкРНК классифицируют пофункциональному принципу: выделяют структурные нкРНК и регуляторные. СтруктурныенкРНК включают транспортные РНК (тРНК – tRNAs), рибосомные РНК (рРНК – rRNAs), РНКсплайсосомы – малые ядерные РНК (мяРНК – snRNAs) и малые ядрышковые РНК (мяшРНК –snoRNAs). Некодирующие РНК, регулирующие экспрессиюгенов, включают малыеинтерферирующие РНК (siRNAs), микроРНК (miRNAs), piwi-RNAs (piRNAs), длинныенекодирующие РНК (lncRNAs) и длинные межгенные некодирующие РНК (lincRNAs) (Mattickand Makunin, 2006).39Открытие последнего времени – длинные некодирующие РНК (длиной более 200нуклеотидов). Они могут быть смысловыми и антисмысловыми, транскрибироваться синтронов генов, последовательностей между генами или перекрываться с генами.
Описанныефункции длинных нкРНК связаны с модификацией хроматина, регуляцией транскрипции(связываниесэнхансерами,транскрипционнойпромоторамирегуляцией(сплайсинг,итранскрипционнымиредактирование,факторами),транспорт,пост-трансляция,стабилизация и деградация мРНК), клеточной дифференцировкой и развитием организма.Нарушение экспрессии длинных нкРНК может приводить к канцерогенезу (по Qu and Adelson,2012).Малые некодирующие РНК (например, микроРНК) гораздо более консервативны, чемдлинные (Mercer et al. 2009), но длинные нкРНК всё равно проявляют консервативность всравнениисэлементамигенома,считающимисянефункциональными.Идентичностьпоследовательностей длинных нкРНК мыши и человека сопоставима с интронами и немногоменее консервативна, чем 5’- и 3’UTRs (Pang et al. 2006).
Возможное объяснение этому в том,что длинные нкРНК могут функционировать на уровне вторичной структуры, а не первичной,тогда идентичность нуклеотидных последовательностей необязательна (Qu and Adelson, 2012).Последовательности интронов являются источником функциональных некодирующихРНК. Большинство белок-кодирующих генов высших эукариот содержат интроны.
Интронысоставляют около 30% генома человека (Mattick and Gagen, 2001). Размер и сложность интроновхорошо коррелируют с уровнем эволюционного развития организма (Табл. 3). Для простыхэукариот, таких как Schizosaccharomyces pombe, Aspergillus и Dictyostelium, интроны составляютвсего 10-20% первичных транскриптов, у высших растений – около 50%, у человека – более95% (Deutsch and Long, 1999; International Human Genome Sequencing Consortium, 2001; Venter etal. 2001).Таблица 3. Размеры генома и интронов у разных организмов (Deutsch and Long, 1999).ВидыРазмергенома(Mbp)Кол-во интроновна генВсегеныЧеловекМышьКрысаКурицаДрозофилаC.
elegansКресс-салатКукурузаS. pombe34003454290012001801001005000144.03.13.03.22.54.24.84.22.2Гомологичныегены5.546.683.773.692.444.264.104.092.39РазмериндивидуальныхинтроновВсеГомологеныгичныегены341311521321666109256770632956444546728124015732827093104Суммарныйразмер интроновна kb CDSВсеГомологеныгичныегены68255002333132603208299918301921662779100410338367341154872285257Размер выборкиЧислогенов503231233650391123Числоинтронов2571591157973213143355440АспергиллR (корреляция)133.10.225.270.45720.50730.571630.603790.601169Из того факта, что в эволюции по мере усложнения организации эукариотувеличиваются размер и плотность интронов (Mattick, 1994), родилась идея о том, что интронымогутиметьрегуляторнуюфункцию.Большинствоинтроновпонуклеотиднойпоследовательности менее консервативны, чем белок-кодирующие экзоны, однако есть ивысоко консервативные интроны (по Mattick and Gagen, 2001), что говорит об ихфункциональности.
Например, интроны в генах Т-клеточного рецептора человека и мышиидентичны более чем на 70%, что сопоставимо с идентичностью экзонов того же гена (Koop andHood, 1994).Вообще ядерные интроны являются эволюционными потомками самосплайсирующихсяинтронов группы II, которые обычно встречаются у бактерий в генах тРНК. Такие элементыначали проникать в геномы эукариот поздно в эволюции (1,2 миллиона лет назад) и сначалараспространялись с помощью ретротранспозонов, а затем (после появления сплайсосомы) – припомощи мутационных, рекомбинационных и инверсионных процессов. Эволюция ядра иразделение транскрипции и трансляции у эукариот дали возможность интронам внедриться вбелок-кодирующие гены.
Последующая эволюция сплайсосомы облегчила процессингинтронов, что уменьшило негативный отбор, направленный против них, и позволило им статьболее распространёнными и разнообразными (по Mattick and Gagen, 2001).При процессинге пре-мРНК интроны вырезаются, формируя ядерную популяциюинтронных РНК. Таким образом, при сплайсинге параллельно образуются мРНК ирегуляторные нкРНК. Более того, нкРНК путём дифференциальной деградации и диффузии вядре могут являться своеобразной клеточной памятью, отражая предшествующую активациюгенов (Mattick and Gagen, 2001).Развитие идеи о том, что интроны не подвергаются деградации после сплайсинга, амогут быть функциональными, привело к открытию и исследованию большого числаконкретных примеров регуляции с помощью интронов.
На множестве систем, включаякультуры клеток млекопитающих, трансгенных мышей, на растениях и насекомых былопоказано, что для оптимальной экспрессии генов необходимо присутствие одного илинескольких интронов. Интроны влияют на процессы транскрипции, полиаденилирования,экспорта мРНК, на эффективность трансляции и деградации мРНК (по Nott, 2003).Hill et al. (2006) показали, например, что интроны человека могут управлять экспрессиейцелого ряда генов в различных сайтах генома. В этой работе клетки HeLa трансформироваликонструкциями, экспрессирующими один из трёх различных интронов (6a, 14b и 23) гена CFTR(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator), который в клетках HeLa в норме не41экспрессируется. Транскрипция каждого интрона приводила к специфичным изменениямтранскрипционного профиля в клетках HeLa, затрагивающим гены, функции которых связаны сCFTR.Хорошо изучена роль интрона 1 гена Col1A1 в регуляции синтеза коллагена типа I.Трансгенные мыши с делецией 1,3 т.п.н.
внутри этого интрона не демонстрировали видимыхотклонений в развитии, однако делеция, приводила к уменьшению экспрессии гена Col1A1 до50% в отдельных тканях (например, в лёгких). По-видимому, это происходило из-за снижениястабильности мРНК. Таким образом, интрон 1 играет роль в тканеспецифичной регуляциитранскрипции собственного гена (по Hormuzdi et al. 1998).И у человека, и у мыши найдено большое число длинных интронных нкРНК (Nakaya etal.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
