Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Рис. 17.4.Сверху вниз: последовательность действий, которые должна уметь выполнять сплайсинговая аппаратура клетки, чтобы соединить все нужные участки, кодирующие аминокислоты, в зрелую РНК требуемого строения и состава.

Сплайсинг как образ жизни

Такой сплайсинг длинных РНК с целью создания более коротких информационных РНК, несущих в себе сведения об определенных белках, является по-настоящему комплексным процессом. Система эта очень древняя. Ее компоненты и стадии сохраняются практически неизменными на всем протяжении эволюции — от дрожжей до царства животных. Работу проводит гигантский конгломерат молекул, который называется сплайсосомой и который как раз и представляет собой аппаратуру для сплайсинга. Сплайсосома состоит из сотен белков, а также некоторых мусорных РНК. Чем-то это напоминает рибосомы, действующие как фабрики по производству белков⁴.

Одна из определяющих стадий процесса — обвивание сплайсосомы вокруг промежуточных последовательностей, которые требуется удалить из молекулы РНК. Сплайсосома вытесняет их и затем объединяет участки, кодирующие аминокислоты. Это чудовищно сложный многостадийный процесс. Мы знаем, что один из его первых ключевых этапов — распознавание промежуточных областей сплайсосомой. Ей ведь явно приходится начинать именно с этого, чтобы затем соединиться с ними и удалить их.

Начала и концы промежуточных последовательностей всегда отмечены определенными элементами из 2 нуклеотидных оснований. Молекулы мусорной РНК сплайсосомы могут соединяться с этими двухосновными последовательностями. Во многом это похоже на то, как две нити ДНК соединяются в наших генах с помощью пар таких же нуклеотидных оснований.

Однако в РНК (как и в ДНК) лишь 4 разных нуклеотидных основания, а значит, возможно лишь 16 комбинаций из двух оснований (АЦ и ЦА, как и все подобные симметричные сочетания, считаются разными парами). Следовало бы ожидать, что двухосновные элементы, обозначающие начала и концы промежуточных областей, будут представлены и в других местах этих областей, а также в участках, кодирующих аминокислоты. Так и есть. Поэтому, хотя эти двухосновные последовательности необходимы для сплайсинга, их наличия еще недостаточно для того, чтобы направлять процесс должным образом. Требуются и другие последовательности (см. рис. 17.5).

Последовательности, влияющие на выбор того, как будет осуществляться сплайсинг, находятся и в промежуточных мусорных областях, и в участках, кодирующих аминокислоты. Одни влияют на сплайсинг очень сильно, другие гораздо слабее и тоньше. Одни повышают вероятность акта сплайсинга, другие понижают его. Все они работают в системах комплексного партнерства. Суммарное воздействие, которое они оказывают на окончательную картину сплайсинга, определяется и другими событиями, происходящими в клетке, и ее свойствами в данный момент, например, конкретным составом белков в сплайсосоме. Эти модифицирующие последовательности обычно описываются с применением эпитетов типа «головокружительный» или «ошеломляющий». В речи энтузиастов науки они часто означают «невероятно сложный и запутанный, в данный момент далеко превышающий возможности нашего скромного разума или даже прогностических компьютерных алгоритмов, созданных специально для таких случаев».

Рис. 17.5. Множество различных нуклеотидных последовательностей взаимодействуют в молекуле РНК, направляя сплайсинг в нужном направлении. Отмеченные буквами мотивы, состоящие из двух оснований, необходимы, но сами по себе недостаточны для того, чтобы регулировать всю тонкую настройку процесса. В ней участвуют и другие сайты, оказывающие влияние различной силы, что показано отличиями в толщине и длине стрелок.

Сплайсинг и болезни

Чтобы хоть как-то ощутить, представить степень этой сложности, рассмотрим одну группу генетических заболеваний. В их числе — форма слепоты, именуемая пигментным ретинитом и затрагивающая примерно одного человека из каждых 4 тысяч. Как правило, все начинается в подростковые годы, с ухудшения ночного зрения. С годами зрение быстро падает. Это происходит оттого, что постепенно отмирают клетки глаза, воспринимающие свет⁵. В среднем 1 из 12 случаев обусловлен мутацией в каком-то из 5 белков, участвующих в определенной стадии сплайсинга^6,7,8,9. Данная мутация вызывает нехватку лишь клеток сетчатки, а не других клеток организма, которые также полагаются на процесс сплайсинга. Это показывает, что процессы контроля сплайсинга обладают высокой специфичностью по отношению к клеткам и генам. Пока механизмы, лежащие в основе этой специфичности, нам не понятны.