научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ИНТРОНОВ И ЭКЗОНОВ В ГЕНАХ АРАБИДОПСИСА, РИСА, НЕМАТОДЫ И ЧЕЛОВЕКА Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ИНТРОНОВ И ЭКЗОНОВ В ГЕНАХ АРАБИДОПСИСА, РИСА, НЕМАТОДЫ И ЧЕЛОВЕКА»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, том 42, № 2, с. 352-361

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И СИСТЕМНАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 575.113; 575.21

ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ИНТРОНОВ И ЭКЗОНОВ В ГЕНАХ АРАБИДОПСИСА, РИСА, НЕМАТОДЫ И ЧЕЛОВЕКА

© 2008 г. Ш. А. Атамбаева, В. А. Хайленко, А. Т. Иващенко*

Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан Поступила в редакцию 14.03.2007 г. Принята к печати 06.10.2007 г.

Проведен компьютерный анализ генов Arabidopsis thaliana, Orysa sativa, Caenorhabditis elegans, Homo sapiens. Средняя длина экзонов в генах указанных организмов уменьшается с увеличением числа интронов в генах. Изменения длины интронов и экзонов в генах A. thaliana и O. sativa с ростом числа интронов в генах характеризуются высоким коэффициентом корреляции. Наблюдается линейная зависимость между суммой длин экзонов и числом интронов, а длина генов увеличивается пропорционально числу интронов в гене. Средняя длина интронов и генов человека зависит от плотности расположения генов на ДНК.

Ключевые слова: Arabidopsis thaliana, Orysa sativa, Caenorhabditis elegans, Homo sapiens, компьютерный анализ, биоинформатика, ген, экзон, интрон.

CHANGES OF INTRONS AND EXONS LENGTH IN GENES OF ARABIDOPSIS, RICE, NEMATODE AND HUMAN, by Sh. A. Atambaeva, V. A. Khailenko, A. T. Ivashchenko* (Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakstan; *e-mail: a_ivashchenko@mail.ru). Genes of Arabidopsis thaliana, Orysa sativa, Caenorhabditis elegans, Homo sapiens have been studied by computer analysis. The average intron and exon lengths in genes of these organisms decreases with increase of intron number in genes. The length of introns and exons in A. thaliana and O. sativa genes is change with increase of intron number in genes by high coefficient of correlation. Linear dependence between the sum of exon lengths and intron number in genes increased proportionally to number of gene introns. The average length of in-trons and genes of human depend on density of genes in DNA.

Key words: Arabidopsis thaliana, Orysa sativa, Caenorhabditis elegans, Homo sapiens, computer calculation, bioinformatics, gene, exon, intron.

В настоящее время установлены нуклеотидные последовательности геномов ряда эукариотиче-ских организмов, имеющих преимущественно гены с интронами [1]. Появилась возможность на больших выборках генов анализировать их экзон-интронную организацию и установить ряд важных свойств интронов и экзонов. Уже в ранних публикациях, посвященных свойствам интронов и экзонов, изучали вопрос о вариабельности их длины [2-4]. Дальнейшие многочисленные исследования этой проблемы позволили выявить генные и геномные особенности экзон-интронной организации генов эукариот.

В простейшем из эукариотических геноме Бас-сНаготусе8 сегву181ав имеется около 4% генов с интронами, которые содержат преимущественно один интрон [5]. Средняя длина интронов по геному составляет примерно 240 н., при этом гены ри-

* Эл. почта: a_ivashchenko@mail.ru

босомных белков содержат интроны длиной около 400 н., а гены других белков имеют интроны длиной около 100 н. [6]. Эти данные свидетельствуют о зависимости между длиной интронов в генах Б. сетеу181ае и или функцией генов, или другими свойствами генома.

В геномах многоклеточных модельных организмов В. melanogaster, С. elegans и А. гНаЫаиа более 80% генов имеют интроны [7-9]. В геноме человека, мыши, крысы доля генов с интронами составляет уже более 90% [10]. В организмах эукариот изменяется не только число генов, содержащих интроны, но и число интронов в генах. Интрон-содержащие гены дрозофилы, нематоды и араби-допсиса имеют, в среднем, соответственно 2.5, 4.2 и 4.8 интронов [11], а гены млекопитающих -5.7-7.8 интронов [10]. Число и длина экзонов и интронов в генах изменяются в зависимости от вида организма и свойств участков хромосом [10, 11]. В геноме арабидопсиса длина интронов составляет, в

среднем, около 40% от длины генов [9], а длина нитронов в генах человека, в среднем, в 22 раза больше длины экзонов [10]. Среднее число экзонов в расчете на ген варьрует от 6.73 в хромосоме Y до 10.1 - в хромосоме 10. Средняя длина экзона изменяется от 154 н. в хромосоме 10 до 189 н. - в хромосоме 5, а длина интрона от 2033 н. в хромосоме 19 до 7905 н. в хромосоме 18. Около 5% интронов имеют длину более 200000 н., и только 10% интронов имеют длину менее 11000 н. Несмотря на такую гетерогенность свойств генов, имеется корреляция между длиной хромосом и общей длиной экзонов и интронов в них [12]. Причины значительной гетерогенности длины экзонов и интронов в генах одного организма и в генах разных видов эукариот остаются неизвестными.

При большом диапазоне изменений в длинах интронов и экзонов в геномах эукариот наблюдаются максимумы по частоте встречаемости экзонов и интронов с определенной длиной, что свидетельствует о том, что размеры этих участков гена отбираются под влиянием неизвестных факторов [11]. Например, в геномах человека, крысы, мыши, курицы, дрозофилы, нематоды, арабидопсиса, кукурузы наблюдается отчетливый максимум частот встречаемости экзонов с длиной в интервале 40-50 н. [11]. В геномах Schizosaccharomyces pombe и Aspergillus оптимум длины экзонов имеет более широкий интервал - 20-70 н. [11].

Интроны генов человека, мыши, крысы, кукурузы имеют несколько оптимумов длины [11]. Распределение размеров интронов дрозофилы, араби-допсиса, нематоды, дрожжей имеет максимум в интервале 50-100 н. [11]. Каких-либо объяснений причин вариабельности длин экзонов и интронов в разных видах организмов не предлагалось. Попытки найти корреляцию между длиной интронов и размером генома не нашли подтверждения [11]. Весьма вероятно, что длина интронов определяется их функциями, и этим обусловлен интерес к изучению вариабельности длин, а также других свойств экзонов и интронов в разных геномах и хромосомах.

В базах данных и публикациях по интрон-содер-жащим эукариотическим генам имеется много сведений о свойствах интронов и экзонов [1, 13-21]. Во многих работах отмечена связь между длиной интронов и разными свойствами генов и геномов. Например, в участках хромосом генома человека с повышенным содержанием GC интроны короче, а плотность их выше, чем в участках с меньшим содержанием [22]. При этом средняя длина экзонов не зависит от содержания в них GC, а средняя длина интронов в генах из участков с низким GC-со-держанием в несколько раз больше [23]. В геномах кукурузы, риса, ячменя и в шести видах двудольных (арабидопсис, соя, горох, табак, томат, картофель) обнаружено две группы генов с высоким и

низким содержанием вС, которые соответственно имеют преимущественно короткие или длиные интроны. Эти две группы генов значительно отличаются по числу интронов, но сходны по длинам бе-лок-кодирующих нуклеотидных последовательностей [24]. Причину таких отличий экзон-интронной организации генов некоторые авторы видят в различной частоте стоп-кодонов при разных значениях вС-содержания ДНК [25].

Длина интронов и их положение в гене каким-то образом связаны с экспрессией генов [26-31]. Активно экспрессируемые гены геномов риса и арабидопсиса имеют больше интронов и они длиннее, чем гены с низким уровнем экспрессии. По этому свойству гены 19 видов изученных животных отличаются от генов растений [32]. Наблюдается взаимосвязь между наличием интронов в 5'- и 3'-не-транслируемых участках и экспрессией генов в ара-бидопсисе [33].

Частота рекомбинаций тоже зависит от длины интронов [15]. Интроны, утраченные в процессе эволюции человека, мыши, крысы и собаки, в основном, короче 150 н. и входили в состав активно экспрессирующихся генов [34]. Считается, что эк-зон-интронная организация генов способствует образованию в процессе эволюции новых сочетаний экзонов (соответствующих функциональным доменам белков) и новых генов [35]. Некоторые свойства интронов (длина, асимметричное расположение вдоль белок-кодирующей последовательности нуклеотидов, отношение к длине экзонов, интронная плотность, сайты сплайсинга и т.д.) используются для оценки молекулярной эволюции организмов [36, 37]. Важное значение имеют точное определение длины и фазы интронов и влияние этих показателей на протекание альтернативного сплайсинга [38].

Наличие интронов в генах создает предпосылки для альтернативного сплайсинга, увеличивающего разнообразие кодируемых белков [39-41]. Альтернативные экзоны, по сравнению с конститутивными, граничат с более длинными интронами [42]. Разнообразные типы интронов по свойствам сайтов сплайсинга и составу участвующих сплайсеосом выявлены в генах человека, мыши, дрозофилы, нематоды и арабидопсиса [43]. Важно, что длина экзона и интрона играет роль в узнавании сайтов сплайсинга; это установлено при изучении альтернативного сплайсинга в генах человека [28, 44].

Интроны имеются также вне белоккодирую-щей части генов [10, 33]. Кроме того, интроны располагаются в генах не случайно и само их наличие и положение в гене влияет на некоторые свойства генов [44].

В цитируемых выше работах анализировали экзон-интронную организацию генов без учета таких особенностей генома, как число интронов в гене и гетерогенность хромосом по плотности генов

в участках ДНК, которые могут быть связаны с экзон-интронной организацией генов. В связи с этим, в настоящей работе определяли изменения в длинах экзонов и интронов в зависимости от числа интронов в генах и от плотности расположения генов в хромосомах A. thaliana, O. sativa, C. elegans и H. sapiens. Геномы данных организмов полностью секвенированы, имеется много публикаций по эк-зон-интронной организации их генов, что способствует дальнейшему выяснению особенностей взаимосвязи между свойствами интронов и экзонов в генах растений и животных.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Полные нуклеотидные последовательности ядерных геномов A. thaliana, C. elegans, O. sativa и H. sapiens получены из ГенБанка (http://www. ncbi.nlm.nih.gov). ДНК хромосом арабидопсиса и нематоды последовательно делили на участки длиной по 0.3 млн. п.н., а риса и человека - на участки длиной по 1 млн. п.н., в которых определяли число бе-локкодирующих генов. В расчетах испол

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»