Когда один ген стоит двух

Долгое время считалось, что каждый ген кодирует только один белок. Хотя эта концепция уже несколько лет подвергается сомнению, функциональные последствия кодирования одним геном более чем одного белка всё ещё во многом неизвестны.

В исследовании, опубликованном в последнем номере журнала Plant Cell, группа учёных под руководством Паулы Дуке из Института Гульбенкяна де Сьенсия (IGC, Португалия) обнаружила ген ZIFL1, который производит два разных белка с совершенно различной локализацией и функцией в растении.

Две функции одного гена

Исследователи наблюдали, что в корне ZIFL1 кодирует белок, важный для транспорта ауксина — гормона, необходимого для правильного роста и развития растения. Однако в листьях тот же ген производит белок, который способствует устойчивости к засухе. Этот ген является одним из немногих идентифицированных, производящих два белка со столь разными биологическими ролями.

Исследование на модели Arabidopsis thaliana

ZIFL1 принадлежит к семейству генов-транспортёров, присутствующих во всех классах организмов, но функция большинства его членов неизвестна. Известно, что они кодируют белки, встроенные в клеточные мембраны и обеспечивающие перенос малых молекул.

У мутантных растений, неспособных производить транспортер ZIFL1, были обнаружены специфические дефекты:

• В корнях: проблемы с ростом, ветвлением и ориентацией, что указывало на роль гена в транспорте гормона ауксина.
• В листьях: сниженная толерантность к засухе. Устьица (поры, регулирующие транспирацию) у мутантов были более открыты, что приводило к повышенной потере воды.

Механизм: альтернативный сплайсинг

Учёные выяснили, что причина двойной функции — альтернативный сплайсинг. Это механизм, при котором один ген может производить разные молекулы РНК за счёт "вырезания и вставки" различных участков.

В случае гена ZIFL1 альтернативный сплайсинг создаёт две молекулы РНК, отличающиеся всего двумя химическими остатками. Однако это небольшое различие имеет огромное последствие: одна из конечных белковых версий оказывается короче на 67 аминокислот.

Разделение в пространстве

Ключевое открытие состояло в том, что эти два белка по-разному распределены в растении:

• Длинная форма белка обнаруживается только в корнях.
• Короткая форма белка обнаруживается только в листьях.

Более того, эти белки встроены в разные клеточные мембраны в клетках корней и листьев. Оба белка в тестах на дрожжевых клетках транспортируют ионы калия, но их разная локализация определяет их специфические биологические функции.

Значение открытия

Как отмечает первый автор работы Эстель Реми, тот факт, что обе формы не встречаются вместе в одной ткани, предполагает, что корни и листья могут иметь специфические факторы, влияющие на сплайсинг РНК ZIFL1 в форму, необходимую для данной ткани.

Паула Дуке подчёркивает: "Насколько нам известно, известно не так много случаев, когда один ген кодирует белки со столь разными биологическими функциями. Самое удивительное — как включение или удаление всего двух химических остатков в молекуле РНК приводит к производству двух белков, играющих важнейшую роль либо в транспорте гормонов, либо в устойчивости к засухе".

Альтернативный сплайсинг — ключевой механизм увеличения белкового разнообразия. У человека около 20 000–25 000 генов кодируют белки, но более 90% этих генов подвергаются альтернативному сплайсингу. Учёные оценивают, что в организме человека может существовать до 500 000 или более различных белков.