Учёные обнаружили в дрожжах группу интронов с удивительной стабильностью и функцией

Исследователи из Института Уайтхеда обнаружили неожиданную и ранее не признанную роль интронов — частей генов, не содержащих инструкций для создания белков, которые обычно вырезаются и быстро уничтожаются. Изучая пекарские дрожжи, учёные идентифицировали крайне необычную группу интронов, которые сохраняются и накапливаются в своей полностью интактной форме спустя долгое время после их высвобождения из соседних последовательностей — экзонов. Важно, что эти устойчивые интроны играют роль в регуляции роста дрожжей, особенно в стрессовых условиях.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature, позволяют предположить, что некоторые интроны могут накапливаться и выполнять функции и в других организмах.

«Это первый случай, когда кто-либо обнаружил биологическую роль для полноразмерных, вырезанных интронов, — говорит старший автор Дэвид Бартел. — Наши выводы бросают вызов представлению об этих интронах как просто побочных продуктах экспрессии генов, обречённых на быстрое разрушение».

Представьте ДНК, из которой состоят ваши гены, как исходный видеоматериал фильма. Экзоны — это сцены, используемые в финальном монтаже, тогда как интроны — это удалённые дубли, которые вырезаются (сплайсируются) и не представлены в готовом продукте.

Несмотря на свой второстепенный статус, известно, что интроны играют множество важных ролей. Однако эти активности в основном ограничены периодом до сплайсинга — то есть до отделения интронов от соседних экзонов. После сплайсинга некоторые интроны могут быть укорочены и сохранены для других целей, войдя в группу так называемых «некодирующих РНК». Но в целом считалось, что интроны отправляются «на свалку» генома.

Бартел и его коллеги, включая всемирно известного эксперта по дрожжам Джеральда Финка, добавляют к этой картине удивительное новое измерение: полноразмерные интроны — те, которые были вырезаны, но остаются в остальном нетронутыми — могут сохраняться и выполнять полезные биологические функции. Как сообщается в статье, команда обнаружила, что эти необычные интроны регулируются и функционируют в рамках важнейшей сигнальной сети роста TORC1, формируя ранее неизвестную ветвь этой сети, которая контролирует рост клеток в периоды стресса.

«Наша первоначальная реакция была: "Это действительно странно", — вспоминает первый автор Джеффри Морган. — Мы столкнулись с генами, где интроны были гораздо более многочисленны, чем экзоны, что является полной противоположностью ожидаемому».

Исследователи идентифицировали в общей сложности 34 таких необычно стабильных интрона, что составляет 11% от всех интронов в дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Удивительно, но существует очень мало критериев, определяющих, какие интроны станут стабильными. Например, генетические последовательности самих интронов или окружающих их регионов не имеют значения. Единственной определяющей и необходимой особенностью, как выяснила команда, является структурная — она связана с точной формой, которую интроны принимают при вырезании из соседних экзонов. Вырезанные интроны обычно образуют структуру в форме лассо, известную как лариат. Длина «рукоятки» этого лариата, по-видимому, определяет, стабилизируется интрон или нет.

Примечательно, что и дрожжи, и интроны изучаются уже несколько десятилетий. Однако до сих пор эти уникальные интроны оставались незамеченными. Одна из причин, по мнению Бартела и его коллег, — условия, в которых дрожжи обычно выращивают. Часто исследователи изучают дрожжи в фазе быстрого роста — так называемой лог-фазе. Это связано с тем, что аномалии часто легче всего обнаружить, когда клетки быстро размножаются.

«Биологи сосредоточились на лог-фазе по очень веским причинам, но в дикой природе дрожжи очень редко находятся в таком состоянии, будь то из-за ограниченности питательных веществ или других стрессов», — отмечает Бартел.

Он и его коллеги решили выращивать дрожжи в более стрессовых условиях, что в конечном итоге и привело их к открытию. Хотя эксперименты ограничивались дрожжами, исследователи полагают, что возможно, другие организмы также содержат этот давно упускаемый из виду класс интронов — и что подобные подходы с использованием менее часто изучаемых условий могут помочь их выявить.

«Прямо сейчас мы можем сказать, что это происходит в дрожжах, но мы были бы удивлены, если бы это был единственный организм, в котором это происходит», — заключает Бартел.