научная статья по теме РОЛЬ ИНТРОНОВ В ЭВОЛЮЦИИ Биология

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ ИНТРОНОВ В ЭВОЛЮЦИИ»

УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2015, том 46, № 1, с. 93-104

УДК 575. 852'113

роль интронов в эволюции

© 2015 г. Р. Н. Мустафин2, 3. К. Хуснутдинова12.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Института биохимии и генетики

Уфимского научного центра РАН1. Башикриский Государственный Университет2.

В статье описана роль интронов в эволюции эукариот. Накапливающиеся в интронных областях полиморфизмы, входящие для сплайсинговых изоформ в рамки считывания, могут приводить к изменению свойств альтернативного продукта экспрессии гена, что дает основу адаптации к меняющимся условиям существования, закрепляясь эволюционно на уровне популяции и вида. Описаны основные механизмы обеспечения динамичности генома эукариот и роль ассоциативных комбинаций в генезе мультифакториальных заболеваний.

Ключевые слова: Альтернативный сплайсинг, избыточная ДНК, мультифакториальные заболевания, мобильные элементы генома, нуклеотидные последовательности, сателлитная ДНК.

ВВЕДЕНИЕ

Описана адаптирующая роль альтернативного сплайсинга к внутренней и внешней среде. В отношении внутренней среды организма регуляция экспрессии определенных сплайсинговых изоформ белков способствует тканеспецифической активности данного белка. В отношении внешней среды альтернативный сплайсинг способствует эволюционным преобразованиям. Сопоставляя накапливающиеся полиморфизмы в интронных областях и возможность экспрессии сплайсинго-вых изоформ жизненно важных белков с расширением рамки считывания, можно предположить существование особого способа эволюции у эу-кариот. Данный способ, в отличие от изменения нормальных изоформ белков под действием мутаций, является более безопасным, что может служить одним из объяснений целесообразности мозаичной структуры генов эукариот. Интронные полиморфизмы для определенных сплайсинговых изоформ белка могут входить в рамку считывания и влиять на функционирование продукта гена, в том числе в отношении лучшей приспособляемости к изменениям среды, в связи с чем в ряду поколений возможен отбор в пользу экспрессии данных изоформ.

Представлена схема приобретения геномом эу-кариот свойств динамичности в виде кооперации четырех важных процессов - внедрения транспо-зонов в геном, появления высокомутабельной са-теллитной ДНК, межгенной компенсацией и альтернативного сплайсинга. Ключевым моментом

для образования эукариот послужила адаптирующая роль внедрения мобильных генетических элементов в геном прокариот. Внедрение мобильных генетических элементов имеет свои пределы для каждого вида, у организмов в процессе эволюции сформировались механизмы, «сдерживающие» интеграцию транспозонов, ретро-транспозонов и ретровирусов в геном. Внедрение транспозонов, ретротранспозонов и ретровиру-сов послужило основным фактором эволюции эукариот и причиной огромного разнообразия живой природы. Динамичность генома - главное отличительное свойство эукариот от прокариот.

ОСОБЕННОСТИ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА И ЭУКАРИОТ

Геном человека содержит около 25 000 ядерных генов, при этом кодирующая часть генов составляет менее 3% [7], по последним данным -1,5% всего генома [25]. Остальная часть ДНК не несет кодирующей функции, при этом 75% нуклеотидных последовательностей (НП) находится между генами [7]. Недавние исследования показали, что геном человека содержит 69% повторяющихся последовательностей, главным образом копий транспозонов [16]. Соотношение ДНК человека в зависимости от повторяемости представлено в табл. 1. Повторы разделены на LINE-, SINE-, ALU-элементы, сателлиты и другие. LINE- и ALU-элементы распределены по всему геному. Сателлиты расположены, в основном,

Таблица 1. Распределение ДНК человека в зависимости от повторяемости

№ повторяемость % содержание внутри группы % содержание в ядерной ДНК

А в составе генов 100 25

I кодирующие уникальные 10 2,5

II некодирующие уникальные 90 22,5

Б вне генов 100 75

I группа I уникальные - 60 45

умеренные

II группа II умеренные - 40 30

частые

[2, 16, 22, 33].

в гетерохроматиновых районах [4, 34; 35]. Структурная организация генома человека представлена в табл. 2, процентное содержание различных мобильных элементов генома человека - в табл. 3.

Причины, определяющие размер генома конкретных биологических видов, а также функции большинства некодирующих НП эукариот в настоящее время неизвестны. Несоответствие между размером генома и филогенетической сложностью организма получило название "парадокса С" [6]. Некоторые исследователи [5, 43] считают, что большая часть некодирующей избыточной ДНК (ИД) эукариот не заключает в себе жизненно важной информации и выполняет функции, обеспечивающие дополнительную защиту генов от мутаций. Однако есть работы [1], указывающие на высокую степень упорядоченности организации ИД - предполагается, что в клетках зародышевого пути она создает уникальный геномный портрет вида - как важный механизм его генетической изоляции. О биологической роли ИД высказано не менее 15 гипотез. В первых из них (версии Кэллана, Уайтхауза, Томаса и других) фактически отрицалось наличие у ИД неизвестных биологических функций. К излишку генома относили либо многократно повторенные гены, либо регуляторные зоны генетических единиц, подобные оперонам у бактерий [1].

В 60-70-х гг. ХХ в. сопоставление известных фактов привело к заключению, что ИД не выполняет ни кодирующих, ни регуляторных функций. Согласно гипотезе Эдстрема, ИД представляет собой содержимое гипотетического "эволюционного котла", в котором созревают новые структурные гены и новые регуляторные последовательности. В 80-х годах ХХ в. английским ученым Кавалье-Смитом предложена модель, согласно которой ИД может служить основой ядерного скелета, вокруг которого происходит сборка ядра [1].

В настоящее время предполагается существование других видов кодировки в геноме помимо

триплетного, при этом одной из моделей представлена особенность пространственной структуры хроматина [33]. Установлено, например, что доля консервативных участков в ортологичных интро-нах человека и мыши очень высока (60-70% длины интрона, не занятой мобильными элементами генома, специфичными для человека и мыши). Причем она выше в более длинных интронах тка-неспецифичных генов (по сравнению с общеклеточными). Распределения длин консервативных и неконсервативных участков интронов очень широкие, но имеют максимумы, близкие к длинам нуклеосомной и динуклеосомной ДНК. Кроме того, потенциал формирования нуклеосом выше в консервативных участках. Обнаружено также, что длина консервативных участков интронов коррелирует с числом функциональных доменов в кодируемом данным геном белке. Полученные данные позволили предположить, что длина ин-тронов (как и кодирующих последовательностей) определяется функциональной нагрузкой. Было обнаружено, что гены человека с промежуточной широтой экспрессии имеют наибольший размер как интронной, так и кодирующей части, а кодируемые ими белки содержат наибольшее число различных функциональных доменов. При этом общеклеточные гены оказались короче, чем тка-неспецифичные [3].

ИНТРОНЫ

и альтернативный сплайсинг

В хромосомной ДНК человека только 25% всех НП составляют гены и их регуляторные участки. Менее 10% относящейся к генам ДНК является кодирующей [2, 25]. В отношении эволюционного возникновения мозаичной (интрон-экзонной) структуры генов эукариот сложилось две концепции. Согласно концепции Гилберта (1977 г.) появление интронов обеспечило возможность обмена

Таблица 2. Структурная организация генома человека

Элементы генома Средний размер (пар нукле-отидов) Число копий Доля от всего генома в %

Гены 27000 1 25

Интроны 3400 1 22,5

Экзоны 1 1,5

LINE (¿1)-элементы >6000 <100 000 20

SINE-элементы 340 - 6000 >100 000 10

ALU-элементы <300 до 900 000 10

Сателлитная ДНК 2 - 100 15

Другие разнообразные повторы лабильный лабильное 5

Другие уникальные и низкокопийные по- лабильный лабильное 15

следовательности

[4, 16, 22, 33, 41].

экзонами между неродственными генами (exon shuffling) - "гипотеза позднего возникновения интронов" (intron late). В соответствии со второй концепцией Дарнелла и Дулиттла (1978 г.) интро-ны представляют собой "эволюционные реликты" гигантских генов [5].

Согласно некоторым авторам [Супотницкий], в усложнении генома путем формирования его интрон-экзонной организации основную роль сыграли проретротранспозоны. Первыми ин-тронами были массивы повторяющихся последовательностей ДНК, выполняющие функцию электростатического удержания поляризованных "хвостов" амфипатических молекул оболочки протоклетки. Экзоны формировались путем случайных мутаций проретротранспозонов во время всех процессов матричного копирования их РНК из участков РНК, обладающих каталитической активностью. Увеличение количества и протяженности таких структур способствовало увеличению скорости неэнзиматической трансляции простых пептидов, предназначенных в первую очередь для поддержания конформации самих РНК и примитивной регуляции процессов матричного копирования. Первые пептиды были термостабильны и гидрофобны, в слабосолевых растворах приобретали положительный заряд. Благодаря этим свойствам они обладали выраженной способностью связываться с нуклеиновыми кислотами и агрегировали между собой, формируя упорядоченные структуры протокле-ток. В последующем они послужили исходным материалом для эволюции: 1) гистоновых и прио-новых белков; 2) белков, входящих в состав рибо-нуклеопротеидов эукариот; 3) нуклеиновых и ма-триксных белков вирусов; 4) белков шаперонов, способных поддерживать трехмерную структуру других сложных белков [8].

Таблица 3. Мобильные генетические элементы - 45%

Элементы Процентное содержание ко всему геному, %

Транспозоны 2,8

Ретроэлементы 42,2

LTR 8,3

класс I ERV+MER4 2,8

класс II ERV 0,3

класс III ERV 4,6

другие (MST, MLT) 0,6

nonLTR 33,9

SINE:

Alu 10,6

MIR 2,5

LINE:

L1 16,9

L2 3,2

псевдогены менее 1,0

[8]

В настоящее время убедительно доказана роль интронов в функционировании генома - обеспечение альтернативного сплайсинга (АС). Из одного генного локуса могут экспрессироваться множество белк

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»