МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, том 43, № 1, с. 28-35
== ГЕНОМИКА. ТРАНСКРИПТОМИКА. ПРОТЕОМИКА
УДК 575.113;575.21
ЭКЗОН-ИНТРОННАЯ СТРУКТУРА ГЕНОВ ПОЛНЫХ ГЕНОМОВ ГРИБОВ
© 2009 г. А. Т. Иващенко*, М. К. Тауасарова, Ш. А. Атамбаева
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, 050038 Казахстан
Поступила в редакцию 06.02.2008 г. Принята к печати 17.06.2008 г.
Объекты исследования - гены низших грибов - A. fumigatus, C. glabrata, C. neoformans, D. hansenii, E. cuniculi, E. gossypii, K. lactis, M. grisea, N. crassa, S. cerevisiae, S. pombe и Y. lipolytica, метод исследования - компьютерный анализ. Геномы указанных грибов содержат 0.7 до 97.0% генов с экзон-интронной структурой. С увеличением в геномах доли генов с интронами существенно изменяются характеристики экзонов-интроной организации генов. В геномах A. fumigatus, C. neoformans, M. grisea, N. crassa, S. pombe и U. maydis наблюдается линейная зависимость между длиной генов, суммой длин экзонов в генах и числом интронов в генах.
Ключевые слова: геном, грибы, компьютерный анализ, геномика, ген, экзон, интрон.
EXON-INTRON STRUCTURE OF GENES OF FUNGI GENOMES, by A. T. Ivachshenko*, M. K. Taua-sarova, S. A. Atambayeva (Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, 050038 Kazakstan; *e-mail: a_ivashchenko@mail.ru). Objects of research - genes of A. fumigatus, C. glabrata, C. neoformans, D. hansenii, E. cuniculi, E. gossypii, K. lactis, M. grisea, N. crassa, S. cerevisiae, S. pombe, U. maydis and Y. lipolytica fungi genomes. Methods of research are computer calculation. The content of genes with ex-on-intron structure in fungi genomes are from 0.7 to 97.0%. The exon-intron gene structure was changed when the portion of genes with introns increased. In A. fumigatus, C. neoformans, M. grisea, N. crassa, S. pombe and U. maydis genomes that linear dependence between gene lengths, sum of exon lengths and intron number in genes was established.
Key words: genome, lower fungi, computer calculation, genomics, gene, exon, intron.
Интроны имеются в белоккодирующих генах геномов вирусов, прокариот, органелл и ядер низших и высших эукариот [1-4]. Биологическая роль интронов полностью не выяснена, хотя известны многие их функции, важные для экспрессии генов. В частности, велика роль интронов в увеличении разнообразия продуктов экспрессии генов за счет альтернативного сплайсинга [5, 6]. Интроны влияют на процессы транскрипции, сплайсинга, выхода мРНК из ядра, трансляции и определяют время жизни мРНК [7]. От интронов зависит частота рекомбинации [8] и уровень экспрессии генов [9-11].
Экзон-интронная структура генов является важной их характеристикой. Длины экзонов и интронов варьируют в большом диапазоне, а отношения этих длин тоже значительно изменяются [3, 4, 12-16]. Длина интронов сравнима с длиной экзонов в геномах одноклеточных эукариот [3, 4], высших растений [4, 9] и некоторых животных [4, 13-15]. Геномы млекопитающих содержат гены, в которых длины
* Эл. почта: a_ivashchenko@mail.ru
интронов превышают длины экзонов [13]. В генах одного вида организма отношение длин экзонов и интронов тоже не одинаково [3, 15, 17-19]. В генах, содержащих много интронов, их длина может сильно отличаться [17, 18]. Наблюдаются определенные тенденции в распределении длин интронов в зависимости от положения их в гене [20-22]. В одноин-тронных генах дрожжей интроны, расположенные в генах рибосомных белков, примерно в два раза длиннее интронов в других одноинтронных генах [3]. Длина интронов коррелирует с вС-содержани-ем в хромосоме [12, 19], с плотностью генов в участках дНк хромосом [18] и т.д. Причины значительной вариабельности экзон-интронной организации генов остаются неизвестными, и их выяснение будет способствовать определению биологической роли интронов.
После секвенирования геномов ряда низших эукариот появилась возможность изучать экзон-ин-тронную структуру генов на достаточно больших выборках известных последовательностей. Геномы этих организмов различаются по доле генов с ин-
тронами [23, 24]. Низшие эукариоты привлекают большой интерес как объекты изучения проблемы биологической роли интронов в связи с тем, что некоторые геномы почти не содержат генов с интро-нами, а доля генов с интронами в других очень велика. Экзон-интронную структуру генов низших грибов изучали в ряде работ [3, 4, 22-31], однако изменения длины экзонов и интронов в зависимости от числа интронов в гене не исследовали.
Само наличие генов с экзон-интронной структурой подразумевает наличие механизмов поддержания в геномах большого объема информации и больших энергетических затрат на синтез интронов и содержание нуклеопротеидного комплекса, обеспечивающего функционирование генов с интронами. Известные функции интронов не дают однозначного представления о биологической роли интронов. Например, альтернативный сплайсинг в пре-мРНК, более прогрессивный с точки зрения обеспечения жизнедеятельности, реализуется, в основном, в генах с числом интронов более одного, хотя генов с одним интроном достаточно много в большинстве секвенированных геномов низших и высших эукариот. Интроны локализованы в 5'- и 3'-нетранслируемых участках генов [21]. Кроме этого интроны есть в генах рРНК и тРНК, для которых альтернативный сплайсинг не нужен. Приведенные примеры свидетельствуют о функциональной важности интронов, но не раскрывают биологическую природу наличия интронов в нуклеотидных последовательностях. Поэтому необходимо дальнейшее изучение свойств экзон-интронной организации генов различных организмов.
Настоящая работа посвящена изучению экзон-интронной структуры генов в геномах низших грибов с целью выявления в них закономерностей, существующих в геномах эукариот.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Изучали полные последовательности геномов низших грибов Aspergillus fumigatus Af293, Candida glabrata, Cryptococcus neoformans var. neoformans JEC21, Debaryomyces hansenii CBS767, Encephalitozo-on cuniculi GB-Ml, Eremothecium gossypii (Ashbya gos-sypii), Kluyveromyces lactis NRRL Y-1140, Mag-naporthe grisea 70-15, Neurospora crassa, Saccharomy-ces cerevisiae strain S288c, Schizosaccharomyces pombe 972h-, Ustilago maydis 521, Yarrowia lipolytica CLIB122, извлеченные из Банка данных (GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).
Для каждого генома формировали выборки генов содержащих 1, 2, 3, 4, 5, 6-9, 10-14, 15 и более интронов. При анализе использовали только одну копию повторяющихся генов. Из генов с альтернативным сплайсингом выбирали самый длинный вариант пре-мРНК. Гены, в которых сумма длин экзонов не делилась на три, а также интроны и экзоны
из 5'- и 3'-нетранслируемых участков не анализировали. Определяли среднюю длину экзонов (lex), интронов (h), сумму длин экзонов в гене (Lex), длину гена (Lgn), долю длины экзонов в гене (Lex/Lgn), число интронов в гене (NjJ и число генов в выборке (Ngn). В генах анализировали число интронов и экзонов с длиной в интервалах 1-20, 21-40, 41-60 н. и так далее до 400 н., а также с длиной более 400 н.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Доля генов с интронами в геномах низших грибов
Исследованные геномы значительно отличаются по размеру, числу хромосом и числу генов с эк-зон-интронной организацией (табл. 1). В каждом геноме плотность генов в расчете на 1 млн.п.н. во всех хромосомах примерно одинакова. Плотность генов имеет тенденцию снижаться при увеличении размера генома и доли генов с интронами. Между долей генов с интронами в геномах и плотностью генов в них имеется взаимосвязь с коэффициентом корреляции (r) равным -0.65 (р < 0.02). Во всех хромосомах каждого генома доля генов с интронами сходна. Например, в хромосомах генома Y. lipolytica она варьирует от 7.8 до 13.5%, в геноме S. pombe - от 44.4 до 48.3%, в геноме M. grisea - от 68.0 до 78.5%, в геноме N. crassa - от 75.0 до 81.3%. Эти данные свидетельствуют о том, что величина доли генов с интронами является свойством генома, общим для всех хромосом.
Доля генов с интронами не связана с размерами геномов. Например, геномы C. glabrata, D. hansenii, S. cerevisiae и S. pombe имеют сходные размеры, однако доля генов с интронами в них изменяется от 1.5% у C. glabrata до 45.6% у S. pombe (табл. 1). При сходстве размеров геномов U. maydis и C. neoformans доли генов с интронами отличаются в них почти в три раза. Чем обусловлены большие отличия геномов грибов по величине процентного содержания генов с интронами - неясно. В геномах некоторых организмов сходство долей генов с интронами, по-видимому, связано со степенью их родства. Например, в филогенетической линии Eukaryota-Fungi-Ascomycota-Saccharomycotina-Saccharomycetes-Sac-charomycetales доли генов с интронами в геномах C. glabrata, K. lactis, E. gossypii, S. cerevisiae, D. hanse-nii и Y. lipolytica низкие - от 1.5 до 10.6% (табл. 1). В линии Eukaryota-Fungi-Ascomycota-Pezizomycotina-Sordariomycetes геномы M. grisea и N. crassa доли генов с интронами составляют от 69.2 до 79.6%.
Длина экзонов и интронов в геномах с малой долей интрон-содержащих генов
Геномы некоторых организмов имеют малое число генов с интронами (до 11%) и в них большую
Таблица 1. Некоторые характеристики секвенированных геномов грибов
Объект Размер генома, т.п.н.* Количество хромосом Количество генов Доля генов с интронами, % Плотность генов, ген/млн.п.н.
E. cuniculi 2497 11 1995 0.7 799
C. glabrata 12201 13 5083 1.5 417
K. lactis 10690 6 5216 2.4 488
E. gossypii 8743 7 4707 4.5 538
S. cerevisiae 12070 16 5495 4.5 455
D. hansenii 12221 7 6693 5.0 548
Y. lipolytica 20502 6 5970 10.6 291
U. maydis 19530 23 6453 37.8 330
S. pombe 12535 3 4909 45.6 392
M. grisea 38656 7 8077 69.2 209
A. fumigatus 28810 8 9811 78.0 341
N. crassa 23277 7 6483 79.6 279
C. neoformans 19054 14 6459 97.0 339
* Приведены данные по секвенированной части всех геномов.
часть составляют гены с одним интроном, а гены с пятью и более интронами отсутствуют (табл. 2). По-видимому, в этих геномах небольшое содержание генов с интронами и отсутствие генов с большим числом интронов обусловлены общей причиной. Длина генов без интронов во всех геномах с
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.