Успехи в изучении генома человека, а еще ранее — проведенный анализ отдельных генов других высших организмов, привели к ряду принципиально новых и совершенно неожиданных для генетиков результатов в отношении устройства генов, особенно тех, которые кодируют белки. Со времени появления центральной догмы молекулярной биологии думали, что непрерывная линейная последовательность нуклеотидов в ДНК с помощью триплетов нуклеотидов кодирует непрерывную последовательность нуклеотидов в мРНК, а последняя как посредник передает эту информацию на рибосомы, которые, считывая ее, осуществляют синтез линейных молекул белков. Это соответствовало ситуации, которую первоначально наблюдали при изучении генов у бактерий. Однако у высших организмов, включая человека, (и даже у некоторых низших) картина оказалась более сложной.
Когда сравнивали мРНК и соответствующий белок, то действительно обнаруживали непрерывность их нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. То же наблюдали и при сопоставлении последовательностей аминокислот в белках и нуклеотидов в геномах вирусов. Однако с появлением возможности секвенировать протяженные участки ДНК (т. е. непосредственно генов) как у некоторых вирусов, так и у высших организмов получили совершенно неожиданные результаты. Внутри нуклеотидных последовательностей ДНК, кодирующих белок, были обнаружены какие-то иные, ничего не кодирующие участки. Чудеса, да и только! В чем же дело? Оказалось, что многие гены «расчленены» на отдельные куски. Одни из этих кусков, как и положено, кодируют белок (их назвали экзонами), а другие никакие белки кодировать не способны (их назвали интронами) и расположены между экзонами. Таким образом, в гене кодирующие и не кодирующие участки перемежаются друг с другом (рис. 18). Так устроено большинство белок-кодирующих генов. Хотя имеются и исключения. В этих случаях говорят, что ген устроен из одного экзона и интронов не содержит.
Рис. 18. Схематическое изображение экзон-интронного строения некоторых генов человека. Экзоны — прямоугольнники, интроны — линии между прямоугольниками. Темные прямоугольники — участки генов, кодирующие белок, белые прямоугольники в первом и последнем экзонах — специальные участки гена, кодирующие мРНК, но не кодирующие белок
Такое разорванное (экзон-интронное) строение оказалось характерным для подавляющего большинства (хотя и не для всех) генов человека. Вместе с тем у большинства простейших организмов интроны не обнаружены.
Размеры интронов часто значительно превышают размеры экзонов, что существенно увеличивает общую длину нуклеотидных последовательностей ДНК, образующих ген. При этом в геноме человека интроны в целом существенно длиннее, чем у других организмов.
Каким же образом разорванный ДНКовый текст реализуется в клетках в виде неразорванного РНКового, а затем белкового? Выяснилось, что первоначально при транскрипции гена синтезируется большой РНК-предшественник, копия ДНКового текста (с экзонами и интронами вместе). Далее в результате работы специфических ферментов происходит нарезание РНК-предшественника на куски. Те из них, которые ничего не кодируют (интроны), отбрасываются, а кодирующие куски (экзоны) соединяются между собой, обычно в том же порядке, как они располагались исходно в ДНК. В результате формируется зрелая молекула мРНК. Этот сложный процесс и получил название сплайсинга (рис. 19).
Рис. 19. Образование молекул мРНК на РНК-предшественнике в результате сплайсинга. Из РНК-предшественника вырезаются фрагменты, синтезированные с интронных последовательностей гена, а участки, синтезированные на экзонах, соединяются друг с другом, что в конечном итоге приводит к формированию зрелой функционально активной мРНК
В интронах содержатся особые сигналы, которые узнаются специальными ферментами, осуществляющими сплайсинг. Так, в 98% случаев интроны начинаются с динуклеотида ГТ, а заканчиваются динуклеотидом АГ. Они-то и служат главными сигналами для правильного осуществления сплайсинга.
Во всем этом и состоит основное ноу-хау в организации генов человека и других эукариотических генов. «Лоскутное» устройство большинства генов — чрезвычайно важное эволюционное приобретение высших организмов. За счет сплайсинга в РНК может происходить соединение не только между соседними экзонными нуклеотидными последовательностями, но и между другими, отстоящими порой в гене на значительном расстоянии. Это называют альтернативным сплайсингом (рис. 20). В геноме человека альтернативный сплайсинг характерен для более трети генов. Этому можно привести следующую аналогию: из слова «администрация» за счет удаления отдельных букв и слогов можно образовать множество совершенно разных по смыслу слов: ад, министр, амнистия, астра, нация. Существование множества альтернативных вариантов сплайсинга в конечном итоге обеспечивает появление более чем одного белка при экспрессии одного единственного гена. В частности, на гене белка тропонина человека, содержащем 18 экзонов, за счет альтернативного сплайсинга может образовываться 64 различных продукта! Сейчас подсчитано, что в среднем один ген у человека способен кодировать около 3-х разных белков. Альтернативный сплайсинг зависит от множества внутриклеточных и внешних факторов, в том числе, как показано недавно, даже от вирусного воздействия на клетку.
Рис. 20. Схематическое изображение альтернативного сплайсинга. Прямоугольниками разного оттенка обозначены экзоны, черными линиями — интроны. Показаны лишь две из множества возможных мРНК, образующихся на одном гене
Экзон-интронное строение генов дало принципиально новую возможность для эволюции генов — комбинировать отдельные элементы при формировании генов. В результате этого в эволюции возникали новые гены, кодирующие разные белки за счет разного сочетания экзонов одного и того же гена. То есть из уже готовых «слов» составляются совершенно разные «предложения». И такой подход, используемый природой, оказался весьма продуктивным.
Следует отметить, что и в зрелой мРНК, которая образуется уже после удаления из первичного транскрипта интронных нуклеотидных последовательностей, также не все участки кодируют белок. Однако, в отличие от интронов, такие последовательности нуклеотидов расположены в начале и в конце молекулы (см. рис. 18). Их размеры также существенно различаются.
Так, в разных мРНК человека некодирующая область, расположенная в начале молекулы, имеет длину от 2800 до 18 нуклеотидов (в среднем 200 нуклеотидов), а та, которая расположена в конце, составляет от 8500 до 20 нуклеотидов (в среднем 1000 нуклеотидов). Эти некодирующие белок области гена очень важны для нормального функционирования мРНК, ее трансляции, стабильности и локализации в клетке. Как уже говорилось, на одном гене за счет альтернативного сплайсинга может образовываться несколько мРНК. Следует подчеркнуть, что и на одной уже сформировавшейся мРНК могут образовываться разные белки. Это происходит за счет наличия в 50% мРНК человека не одного, а двух АУГ-кодонов, являющихся старт-сигналами для синтеза белка на мРНК. За счет этого, в разных ситуациях клетка может начать синтез белка с разных мест мРНК, в результате чего образуются разные по длине, а порой и по своим свойствам, белки. Опять же пример из лингвистики. Если читать текст не с первой, а со второй буквы, смысл зачастую совершенно меняется (сравните: удочка и дочка).
В связи со всем этим понятно, что классическая формула генетиков «один ген — один белок», предложенная лауреатами Нобелевской премии Джоржем Бидлом и Эдуардом Татумом, оказывается в реальности справедливой лишь для небольшой группы генов, а многие гены (возможно, большинство) кодируют семейства родственных, но существенно отличающихся белков, то есть нередко действует принцип «один ген — много белков». За счет этого в геноме осуществляется принцип экономии генетического материала (компактная запись) и достигается большой набор генных продуктов — белков — на относительно небольшом числе генов.
В таблице 3 приведена общая характеристика белок-кодирующих генов, выявленных в результате секвенирования генома человека.
Таблица 3. Усредненные данные о структуре белок-кодирующих генов генома человека
В реальности размеры разных генов, а также их экзонов и интронов сильно отличаются. И основной вклад в эту вариабельность вносят интроны. Уже говорилось, что максимальный по размерам ген дистрофина занимает в геноме человека 2,4 млн. п. н. Подавляющая часть занята именно интронами (их средний размер составляет несколько десятков тысяч п. н.). Наибольшую кодирующую последовательность в геноме человека имеет ген по имени титин. Его размер равен около 81000 п. н. Этот ген — чемпион и по числу интронов (178 штук!), и по длине единичного экзона (17106 п. н.).
