Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 11-4. Некодирующие последовательности (интроны) в структурных генах некоторых эукариот. Кодирующие последовательности, которые в конечном итоге и дают мРНК, показаны черным, а интроны - белым. (Lewin, 1980).

Рис. 11-5. Процессинг транскрипта разорванного гена, приводящий к образованию мРНК. Кодирующие последовательности показаны черным, единственный интрон - белым, а нетранслируемые 5'- и З'-последовательности покрыты пунктиром. При процессинге к 5'-концу транскрипта добавляется кэп GpppG, а к его З'-концу - полиадениловый фрагмент. Фермент, осуществляющий процессинг, очень точно проводит разрезы на границах между нитроном и кодирующими последовательностями и сращивает эти две последовательности, в результате чего получается полная кодирующая последовательность для мРНК.

Предположение о чисто эволюционной функции разорванных генов высказал Джилберт (Gilbert). Интронами часто разделяются кодирующие последовательности, с которых транслируются функциональные домены внутри белков. Так, например, глобиновые гены разделены двумя нитронами на три кодирующих участка. Центральный участок кодирует домен, связывающий гем. Если, как полагает Джилберт, интроны создают возможность для «перетасовки ДНК путем незаконных рекомбинаций», то в таком случае кодирующие последовательности для отдельных доменов могут вступать в новые комбинации друг с другом. Так, участок глобина, связывающий гем, возможно, первоначально составлял часть другого разорванного гена. Для эволюции будущего глобинового гена, возможно, не понадобилось дупликации гена и дивергенции: простой перетасовки существующих доменов могло оказаться достаточным для создания нового белка из уже существовавших частей.

Лизоцимы фага Т4 и куриного яйца содержат структуры, к которым по мнению Артымюка и др. (Artymiuk et al.) приложимо подобного рода эволюционное объяснение. Лизоцимы куриного яйца содержат два таких же домена как в лизоциме фага Т4. Один из них - это домен, содержащий каталитический центр, а другой - соседний - домен, по-видимому, участвует в определении субстратной специфичности. N-концевой домен лизоцима куриного яйца, который, как установили Янг и др. (Jung et al.), содержит сигнальный пептид прелизоцима и начальные аминокислоты молекул зрелого белка, не имеет эквивалента в лизоциме фага Т4. Точно так же четвертые, С-концевые, домены этих двух белков очень сильно различаются; по мнению Мэтьюза и др. (Matthews et al.), в фаговом ферменте функция этого домена состоит в том, чтобы обеспечивать прикрепление фаговой частицы к стенке Escherichia coli, тогда как ферменту куриного яйца эта функция вряд ли необходима. Подобный характер строения гомологичных белков, когда к сходным доменам примыкают несходные, явно совместим с предположением о перетасовке соответствующих кодирующих последовательностей путем рекомбинации в пределах нитронов.

Джилберт высказал мнение, что если функция интронов сводится к обеспечению эволюционной пластичности, то они могут утрачиваться в результате нейтрального дрейфа. Он считает, что это происходит с исключительно низкой скоростью. Если согласиться с тем, что длительная эволюционная пластичность служит достаточным механизмом для сохранения разорванных генов, то старая теория о старении расы, к которой так часто прибегали в конце XIX в., чтобы объяснить вымирание различных групп (от аммонитов до динозавров), может быть возрождена в новой форме. Постаревшими будут считаться те группы, которые в результате дрейфа потеряли так много интронов, что утратили способность противостоять давлению отбора путем возникновения эволюционных новшеств. Однако здесь мы сталкиваемся с той же самой логической ошибкой, которая была присуща старой теории преформизма, обсуждавшейся в гл. 3: все интроны должны были присутствовать изначально, а затем запас их должен медленно истощаться. Представляется более вероятным, что новые интроны могут возникать и что их сохранение связано с какой-то непосредственной функцией, выполняемой ими в клетке. Это не означает, однако, что мы отрицаем возможность дополнительной эволюционной роли интронов в перетасовке ДНК.

Важную роль интронов в регуляции генной экспрессии продемонстрировали Лазовска, Жак и Слонимски (Lazowska, Jacq, Slonimski) в своем тонком исследовании гена box, который локализован в митохондриальном геноме дрожжей и кодирует цитохром b. Физическая карта гена box и кластеров известных для него мутационных сайтов представлены на рис. 11-6. В этом гене имеется шесть кодирующих последовательностей и пять интронов; у него обнаружены три различных класса мутаций. Мутации в кодирующих последовательностях, как и следовало ожидать, влияют на строение белка, и все они входят в одну группу комплементации. Мутации двух других классов необычны. Три кластера локализованы в нитронах. Они в свою очередь образуют три различные группы комплементации и блокируют процессинг транскрипта гена цитохрома b. Они оказывают также воздействие на экспрессию гена oxi-3 - еще одного разорванного митохондриального гена, который кодирует субъединицу 1 цитохромоксидазы. Мутации третьего класса локализованы на границах между нитронами и кодирующими последовательностями.

Рис. 11-6. События, происходящие при процессинге гена митохондриального цитохрома b дрожжей. Организация гена представлена на схеме А. Длина его равна примерно 7 килобаз. Элементы кодирующей последовательности показаны черным, а интроны - белым, за исключением интронных мутационных сайтов двух типов. Мутации в заштрихованных участках нитронов блокируют процессинг цитохромной мРНК. Участки, покрытые пунктиром, - мутации, возникшие на границах между кодирующими последовательностями и нитронами. Отдельные стадии процессинга левого конца транскрипта РНК показаны на схемах Б-Д. Сплайсинг первого интрона приводит к образованию РНК, которая функционирует как мРНК для синтеза матуразы, обеспечивающей следующую стадию сплайсинга. Часть матуразной мРНК происходит от интрона box-3. TER - сайт терминации для трансляции матуразы (Lazowska, Jacq, Slonimski, 1980).

Для того чтобы могла образоваться функциональная мРНК для цитохрома b, интронные последовательности должны быть вырезаны из первичного транскрипта и должен произойти сплайсинг кодирующих последовательностей. Оказалось, однако, что процессинг - сложный многоступенчатый процесс. Мутации в интроне гена box-3 нарушают процессинг, потому что этот интрон действительно транслируется, чтобы мог образоваться белок, необходимый для процессинга транскрипта гена box. Последовательность в этом интронном участке, определяющем синтез данного белка, известна, так как этот участок гена box был секвенирован.

Первый этап сплайсинга первичного транскрипта гена box, схематически представленного на рис. 11-6, приводит к образованию РНК, содержащей кодирующую последовательность box-4/5 для цитохрома b, сцепленную с маленьким кодирующим участком у конца интрона box-3. Эта РНК, содержащая кодирующие последовательности для цитохрома b и интронные последовательности, функционирует как мРНК, обеспечивая синтез белка матуразы, необходимого для следующей ступени процессинга. На этом этапе происходит удаление последовательности интрона box-3, с тем чтобы образовалась мРНК, содержащая только последовательности, кодирующие цитохром b. Подобным же образом интрон box-7 также, по-видимому, продуцирует сходную, хотя и другую матуразу, поскольку мутации box-3 и box-7 комплементарны друг другу. Гипотетическая матураза box-7, по-видимому, не только участвует в процессинге гена цитохрома b, но необходима также для процессинга транскрипта гена oxi-3, поскольку мутации в интроне box-7 воздействуют на синтез цитохромоксидазы.

Роль процессинга в регуляции генной экспрессии выявляется также в примерах с α-амилазами из печени и слюнной железы мышей. Хагенбюхль и др. (Hagenbuchle et al.) обнаружили, что последовательности мРНК в ферментах печени и ферменте слюнной железы идентичны по своим кодирующим участкам и нетранслируемым 3'-участкам. Однако нетранслируемые 5'-участки этих мРНК различны. Данные названных авторов позволяют предполагать, что эти белки кодируются одним и тем же геном, но что его экспрессия, возможно, регулируется тканеспецифичным процессингом транскриптов. Очевидно, что разорванные гены играют важную роль в регуляции координированной генной экспрессии у эукариот и что существование подобной организации генов делает возможной значительную эволюционную пластичность.