ГЕНЕТИКА, 2009, том 45, № 1, с. 22-29
== МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА
УДК 575.113+575.21:599.9
ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ЭКЗОНОВ И ИНТРОНОВ В ГЕНАХ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
© 2009 г. А. Т. Нващенко, В. А. Хайленко, Ш. А. Атамбаева
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, кафедра биотехнологии, биохимии, физиологии растений,
Алматы 050038, Казахстан; e-mail: a_ivashchenko@mail.ru Поступила в редакцию 08.08.2007 г.
Изучена экзон-интронная организация генов всех хромосом человека в зависимости от плотности расположения генов на нитях ДНК и от числа интронов в генах. Показано, что длины экзонов, ин-тронов и генов изменяются связанно и эта связь зависит от плотности генов в участках всех хромосом человека. Установлено, что гены с экзон-интронной организацией имеют одинаковые тенденции изменения длин экзонов и интронов при увеличении в них числа интронов.
После секвенирования генома человека [1] изучение экзон-интронной организации его генов позволило выявить много свойств, способствующих пониманию регуляции и механизмов реализации генетической информации [2-5]. В генах человека длина интронов изменяется от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидов и в среднем экзоны более чем в 20 раз короче интронов [1]. Это обстоятельство затрудняет изучение биологической роли интронов и установление их связи с белок-кодирующей частью генов. В ин-тронах локализованы сайты, регулирующие экспрессию генов [6]. Интроны создают возможность для альтернативного сплайсинга пре-мРНК, который увеличивает в несколько раз разнообразие продуктов экспрессии генов [7, 8]. Нарушение этого процесса часто вызывает различные заболевания и поэтому важно знать механизмы этого явления [9]. Интроны содержат элементы, определяющие дифференциальную экспрессию генов в различных тканях [10]. Несмотря на установленные важные функции интронов, их основная биологическая роль, на наш взгляд, остается невыясненной и поэтому требуется дальнейшее исследование экзон-интронной организации генов, в том числе и человека.
В генах модельных организмов установлена взаимосвязь между длиной экзонов и интронов [11, 12], поэтому представляется важным проверить ее наличие в генах человека. При изучении генов некоторых хромосом человека показано, что гетерогенность распределения генов на нитях хромосом существенно сказывается на длине интронов [13]. Установлено, что длина экзонов и интронов сильно зависит от числа интронов в генах [13]. Хромосомы человека отличаются друг от друга по размеру, плотности генов, GC-содержа-нию, распределению повторяющихся последовательностей и т.д. [1, 14-17]. Возможно, что эти
свойства хромосом могут быть связаны с экзон-интронной организацией генов и будут влиять на структуру генов. В связи с этим нами изучены изменения длины экзонов и интронов в генах всех хромосом человека с целью выявления зависимостей этих свойств генов от числа интронов в них и гетерогенности распределения генов вдоль хромосом.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Нуклеотидные последовательности генов и ДНК хромосом человека получены из GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov). Все хромосомы разделили на три части (1-6, 7-12, 13-У) и находили средние величины изучаемых характеристик генов хромосом каждой части. ДНК всех хромосом последовательно делили на участки длиной 1 млн.пн и в каждом находили число генов. Участки по числу генов в них распределяли в группы с плотностью 1-11, 12-20, 21 и более генов/млн.пн. В каждой группе гены распределяли в выборки с 1-2, 3-5, 6-9, 10-14, 15 и более интронами в гене. Использовали все аннотированные гены, в которых сумма длин экзонов делилась на три. Гены длиной более 1 млн.пн (примерно 20 генов) не анализировали, поскольку они располагались в двух прилегащих друг к другу участках и, как правило, имели аномальный экзон длиной несколько тысяч нуклеотидов. Общее число генов в группах с плотностью 1-11, 12-20, 21 и более генов/млн.пн составляло соответственно 9513, 6680 и 8319.
Определяли длину экзонов (1ех), интронов (/¡п), сумму длин экзонов (¿ех) в гене, длину гена (¿ёП) и долю длины экзонов (¿ехД,8П) в гене. ^ - число интронов в гене, - число генов в выборке. Анализировали количество 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.
ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ЭКЗОНОВ И ИНТРОНОВ 23
Таблица 1. Изменения длин экзонов, интронов, суммарной длины экзонов и генов в хромосомах 1-6 H. sapiens
Гены/млн.пн Nm ^ex ^in Lex Lgn Lex/Lgn,% Ngn
4 1.5 277 14832 691 23021 3.48 575
3.7 197 13282 967 52818 1.9 705
6.8 163 11170 1376 84007 1.8 709
10.7 154 9975 1965 119319 1.7 489
23.6 150 9730 3897 246400 1.7 793
17 1.5 275 4965 692 8236 9.3 331
3.9 176 5079 855 20543 4.2 498
7.4 162 4820 1361 36986 3.7 354
11.5 140 4757 1749 56168 3.4 242
22.2 144 4273 3355 98117 3.5 279
30 1.6 288 2957 713 5074 14.6 352
3.9 183 2053 904 9005 10.7 440
7.4 156 2220 1310 17695 7.7 371
12.0 150 2052 1950 26561 7.5 224
22.6 143 1674 3382 40997 8.5 257
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В каждой из хромосом проявляется большая гетерогенность плотности распределения генов. Например, число генов на 1 млн.пн ДНК 13-й хромосомы равнялось нулю в 29 участках и в семи участках было в интервале 12-20 генов/млн.пн. Участков с плотностью генов 21 и выше не было в хромосомах 13, 18 и У. Хромосома 13 имеет наименьшую плотность генов из всех хромосом человека [1]. В 19-й хромосоме, имеющей наибольшую плотность генов в геноме человека, участки без генов отсутствовали и в 41-м участке их плотность была выше 21 гена/млн.пн. Таким образом, плотность генов в хромосомах варьировала в широких пределах.
Несмотря на такой диапазон изменения плотности генов, доля ДНК, занимаемая белок-коди-рующими генами, была близкой во всех трех группах участков. То есть сумма длины межгенной ДНК в участках с различной плотностью генов была примерно равной. Так, в участках с плотностью генов 1-11 их доля составляла 47, 47 и 40% от общей нуклеотидной последовательности ДНК соответственно в хромосомах 1-6, 7-12 и 13-У. В участках с плотностью 12-20 генов/млн.пн доля генов равнялась 53, 61 и 48%, а в участках с 21 и более генов/млн.пн гены занимали соответственно 46, 28 и 50% ДНК. Следовательно, в хромосомах человека нет сильной зависимости доли ДНК, занимаемой генами, от их плотности в участках длиной 1 млн.пн и от длины генов в этих участках.
Результаты определения длины экзонов и интронов в выборках генов из групп участков приведены для хромосом 1-6, 7-12 и 13-У в табл. 1-3.
Полученные данные свидетельствуют об уменьшении длины экзонов в генах группы участков с плотностью 1-11 генов/млн.пн по мере увеличения в них числа интронов. Средняя длина экзонов снижалась примерно в 2 раза, а длина интронов - в меньшей степени, с коэффициентом корреляции 0.92-0.98 при уровне достоверности р < 0.05. В генах из групп участков с плотностью 12-20 генов/млн.пн в хромосомах 1-6, 7-12 связь изменения длины интронов и экзонов с ростом числа интронов была слабой, с коэффициентом корреляции 0.51 и 0.24. Неравное снижение длин экзонов и интронов отражается в уменьшении доли экзонов в гене (табл. 1).
Уменьшение средней длины экзонов происходило за счет снижения доли экзонов с длиной более 400 н. и образования максимума длин экзонов в интервале 100-140 н. (рис. 1). В генах с 1-2 ин-тронами доля экзонов с длиной более 400 н. была в несколько раз больше, чем в генах с 15 и более интронами. В хромосомах 1-6, 7-12 и 13-У в участках с плотностью 1-11 генов/млн.пн в генах с 1-2 интронами доля экзонов с длиной более 400 н. равнялась соответственно 18, 12 и 23%, и в генах с 15 и более интронами таких экзонов было только 3% (рис.1). Такой же характер изменения длины экзонов при увеличении числа интронов в гене наблюдался в участках с 21 и более генов/млн.пн (рис. 1).
Соответствующие доли экзонов в 1-2 интрон-ных генах хромосом 1-6, 7-12 и 13-У составляли
Таблица 2. Изменения длин экзонов, интронов, суммарной длины экзонов и генов в хромосомах 7-12 H. sapiens
Гены/млн.пн Nm ^ex ^in Lex Lgn Lex/Lgn,% Ngn
5 1.5 268 14234 687 23160 4.0 593
3.8 177 10067 861 39876 2.7 559
7.3 161 10858 1339 80855 2.0 549
11.8 143 8018 1826 96117 2.1 457
25.2 152 9647 3977 246039 1.6 580
15 1.5 257 4187 649 7048 8.7 442
3.9 174 4510 856 18514 4.4 552
7.4 147 4698 1225 35830 3.1 417
11.7 135 3616 1720 44117 3.9 307
23.2 134 3813 3218 91 301 3.6 354
31 1.5 271 2678 678 4721 15.0 406
3.9 160 2061 776 8782 9.0 558
7.4 155 1806 1301 14608 9.2 420
11.9 138 1756 1770 22597 8.0 271
22.9 150 1659 3576 41504 9.1 244
Таблица 3. Изменения длин экзонов, интронов, суммарной длины экзонов и генов в хромосомах 13-Y H. sapiens
Гены/млн.пн Nin ^ex ^in Lex Lgn Lex/Lgn,% Ngn
5 1.5 333 11605 830 18457 5.0 440
3.9 201 9215 984 37010 3.0 476
7.4 164 9481 1385 72032 2.0 505
11.7 155 8418 1966 100723 2.1 424
24.9 157 8087 4053 205720 2.2 491
16 1.5 266 5822 655 8931 8.4 448
3.8 188 4422 903 17746 5.2 551
7.4 158 4159 1324 31 972 4.3 400
11.8 148 3728 1890 45697 4.3 325
22.5 143 3341 3365 78302 4.3 354
32 1.6 280 3033 710 5330 13.7 857
3.9 190 2406 923 10 248 9.4 1188
7.3 162 2128 1345 16909 8.3 823
11.8 140 1907 1783 24180 7.5 586
22.6 151 1702 3550 41 782 8.7 516
22, 15 и 18%, а в генах с 15 и более нитронами доля экзонов с длиной более 400 н. изменялась от 2 до 3%. Следовательно, изменение длины экзонов в гене происходило только с ростом числа интронов в гене и не зависело от плотности генов в участках ДНК.
Средняя длина интронов в генах выборок из участков всех хромосом с плотностью 1-11, 1220, 21 и более генов/млн.пн уменьшалась по мере роста числа интронов в генах примерно в 1.5 раза
(табл. 1-3). Средняя длина интронов в генах из трех групп с плотностью 1-11, 12-20, 21 и более генов/млн.пн в хромосомах 1-6 равнялась соответственно 11798, 4779 и 2191 н. (по данным табл. 1). Для генов хромосом 7-12 из участков всех хромосом с плотностью 1-11, 12-20, 21 и более генов/млн.пн соответствующие средние величины длины интронов равнялись 10565, 4165 и 1992 н. (по данным т
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.