Удивительно много специфических длинных интронов в генах мозга

Удивительно много специфических длинных интронов, обнаруженных в генах мозга
В недавнем исследовании генов, участвующих в функционировании мозга, их ранее неизвестные особенности были обнаружены биоинформатиками из Московского физико-технического института и Института математических проблем биологии РАН. Кредит: МФТИ

В недавнем исследовании генов, участвующих в функционировании мозга, их ранее неизвестные особенности были обнаружены биоинформатиками из Московского физико-технического института и Института математических проблем биологии РАН. Результаты представлены в PLOS One.

ДНК — это молекула, которая хранит информацию о структуре и функционировании живых организмов. Эта «книга жизни» представляет собой тщательно организованную запись нуклеотидов за нуклеотидами для каждого белка и РНК, синтезированных в клетке. Каждый фрагмент ДНК, соответствующий конкретному белку, называется геном, а шаблон для перевода последовательности ДНК в аминокислотную последовательность ассоциированного белка известен как генетический код.

Еще в 1960-х годах биологи обнаружили основные свойства генетического кода, в том числе его так называемую триплетную природу: каждая аминокислота кодируется кодоном — последовательностью из трех нуклеотидов. Например, последовательность аденин-тимин-гуанин кодирует аминокислоту под названием метионин, которая обычно начинает белки всех живых существ на стадии синтеза.

С момента открытия генетического кода ученые узнали много нового о структуре генов. Например, они обнаружили, что своего рода фрагментация была характерна для генов эукариот — организмов, клетки которых имеют ядро. А именно, гены содержат некодирующие области, называемые интронами. Они удаляются из последовательности в процессе, называемом сплайсингом. Остальные области, которые фактически кодируют части белка, называются экзонами.

Исследователи выдвинули ряд гипотез относительно того, как давно и каким образом возникли интроны и каковы их функции. Во-первых, интроны обеспечивают альтернативный сплайсинг. Это относится к выборочному объединению некоторых экзонов, но не других. Следствием этого является то, что более чем одна последовательность белка может быть получена на основе матрицы одного гена. В результате число отдельных белков в клетках намного превышает количество генов.

Другой процесс с поддержкой интронов, важный для эволюции генов, — это перестановка экзонов. Это включает в себя своего рода атипичную рекомбинацию, когда чужеродный экзон может встраиваться в ген, к которому он не принадлежит, что приводит к появлению нового гена.

Доступные в настоящее время полногеномные последовательности многих организмов позволили детально изучить эволюцию интронов. Теперь известно, что их длина варьируется от нескольких десятков пар до 10000 раз больше. Интроны также различаются по фазе в зависимости от того, где они встречаются относительно кодона. Интроны фазы 0 находятся между кодонами, тогда как фазы 1 и 2 появляются сразу после первого или второго нуклеотида в кодоне, соответственно.

Теперь команда биоинформатиков из МФТИ и ИМПБ РАН изучила связь между фазой и длиной интрона у людей и мышей.

«Никто не думал о том, чтобы исследовать потенциальную связь между длиной интрона и фазой до нас. Здравый смысл говорит, что вообще не должно быть никакой связи, подобно тому, как рост человека не имеет никакого отношения к цвету их глаз». прокомментировал Евгений Баулин, научный сотрудник лаборатории прикладной математики ИМПБ РАН и кафедры алгоритмов и технологий программирования МФТИ.

К их удивлению, авторы исследования идентифицировали группу генов, содержащих необычно большое количество интронов фазы 1, которые имели длину более 50 000 нуклеотидных пар. Более того, это оказались гены, участвующие в передаче нервного импульса в мозге.

Детальный анализ многочисленных научных публикаций позволил группе собрать фрагменты знаний и прийти к единому пониманию. Оказалось, что в большинстве случаев интроны фазы 1 в рассматриваемой группе генов обусловлены наличием определенной аминокислотной последовательности в начале белка. Этот так называемый сигнальный пептид служит для направления белка туда, где он должен выполнять свою функцию. В случае рецепторов нервных клеток это означает плазматическую мембрану.

Поскольку интроны довольно длинные, это также косвенно связано с сигнальным пептидом. В таких белках сигнальный пептид всегда находится в начале молекулы, а область ДНК, кодирующая его, находится в начале гена. И именно там, в начале гена, появляются длинные интроны, поскольку они содержат регуляторные последовательности ДНК, важные для синтеза белка.

Исследование показывает четкую и полную картину того, как работает перестановка экзонов и какую роль в этом играют длинные интроны фазы 1. «Этот механизм ускоряет эволюцию межклеточных и мембранных белков у животных, особенно у более молодых [эволюционно говоря], и именно эти белки обеспечивают передачу нервных импульсов в клетках мозга», — добавил Баулин.

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *