Интроны: обновление загадки
Согласно недавнему отчету в Science биологов из Университета Индианы в Блумингтоне и Университета Нью-Гэмпшира, последовательности бессмысленной ДНК, прерывающие гены (интроны), могут быть гораздо важнее для эволюции геномов, чем считалось ранее.
Их исследование на модельном организме Daphnia pulex (водяная блоха) впервые продемонстрировало колонизацию одной линии этими прерывающими последовательностями. Ученые утверждают, что интроны вставляются в геном гораздо чаще, чем предсказывают текущие модели. Также были обнаружены «горячие точки» для вставки интронов — области генома, где повторные вставки более вероятны. И, что удивительно, подавляющее большинство исследованных последовательностей ДНК интронов оказались неизвестного происхождения.
«Считалось, что эти события вставки очень редки, потому что они всегда имеют плохие последствия», — сказал постдок Абрахам Такер, ведущий автор статьи в Science.
Аспирантка Вэньли Ли, чье участие в исследовании пересекается с работой над диссертацией, стала соавтором. Ли отметила, что ее особенно заинтересовала концепция горячих точек, которые повышают вероятность того, что отдельные линии Daphnia приобретут интроны в одном и том же месте (или в одной и той же общей области) генома водяных блох. Четыре из 23 различных типов найденных интронов не были уникальны по позиции. Если бы интроны всегда вставлялись в случайные места внутри генов, ученые ожидали бы нулевого количества интронов с идентичными точками вставки.
«Самая интригующая находка для меня — это множественные случаи параллельного приобретения интронов, потому что это означает, что Daphnia находится в активной фазе пролиферации интронов», — сказала Ли. «Это делает Daphnia исключительной системой для изучения эволюции интронов. Кроме того, мы считаем, что наша работа способствует более точной оценке скорости приобретения интронов и прямо ставит под сомнение предположение о редкости параллельных приобретений интронов во многих предыдущих анализах».
Согласен ли с тем, что Daphnia типична для эукариот в отношении приобретения (и потери) интронов, эволюционный биолог IU Блумингтон Майкл Линч, главный исследователь проекта, согласился, что открытие параллелизма удивит его коллег.
«Примечательно, что мы обнаружили множество случаев параллельного приобретения интронов практически на одних и тех же сайтах в независимых генотипах», — сказал Линч. «Это решительно противоречит распространенному предположению, что когда два вида имеют общие интроны на одном и том же сайте, это всегда связано с наследованием от общего предка».
Уникальный и важный аспект работы ученых заключается в том, что они сосредоточились на одном виде (Daphnia pulex). Предыдущие исследования рассматривали несколько интронов, общих для совершенно разных видов. При этом генетики почти наверняка упускали из виду эфемерное появление новых интронов и, следовательно, приходили к неверным выводам о том, как приобретаются интроны, почему они теряются и как часто происходит то или другое.
То, что многие интроны не приобретены от общего предка, а являются результатом отдельных событий вставки, означает, что скорость приобретения интронов в линии любого вида может быть значительно выше, чем оценивается в настоящее время.
Даже если скорость приобретения и потери интронов у Daphnia pulex отличается от таковой у людей, подсолнухов и грибов, отчет в Science предполагает, что генетикам и геномным биологам стоит еще раз взглянуть на интроны, некоторые из которых могли быть результатом событий вставки в горячих точках в отдельных линиях.
«Сразу же возникнет вопрос, можно ли легко распространить наши выводы на другие виды», — сказал Линч. «Мы, собственно, этим сейчас и занимаемся. Кроме того, необходима серьезная молекулярная работа для проверки нашей гипотезы о механизме происхождения интронов».
Интрон — это сокращение от «внутригенная область», сегмент ДНК, встроенный в кодирующую часть гена. Интроны распространены у эукариотических организмов — животных, растений, грибов и протистов. Когда гены экспрессируются, специальный механизм в ядре клетки обычно удаляет интроны, создавая транскрипт гена, лишенный бессмыслицы. Некоторые интроны очень малы (20 пар оснований ДНК или меньше). Некоторые интроны шокирующе длинны (почти 500 000 пар оснований). Внутри генной области общая длина интронов может затмить фактические кодирующие области. Существует ген на 22-й хромосоме человека, который настолько изобилует интронами, что только 10% его фактически содержит кодирующую ДНК. Остальное состоит из интронов.
Ученые обычно предполагали, что интроны настолько вредны, что их вставка почти всегда означает гибель для клеточных линий внутри отдельных организмов, производящих потомство. За исключением альтернативного сплайсинга, интроны не выполняют никакой очевидной функции и потребляют ненужную энергию, когда клетки должны дублировать всю свою ДНК. Что еще более важно, вставка нового интрона в неподходящем месте может нарушить работу клеточного механизма экспрессии важного гена. Эксперты восприняли все это как означающее, что события вставки интронов чрезвычайно редки.
Почти все обнаруженные биологами интроны обладали последовательностью неопределенного происхождения. Только одна из 24 идентифицированных последовательностей имела сходство с конкретными последовательностями ДНК, связанными либо с геномом Daphnia, либо с ее паразитами. Остальные 23 интрона имели последовательности, которые, по-видимому, были импровизированы механизмом, ответственным за синтез ДНК. «Наши молекулярные анализы позволили нам отвергнуть ряд гипотез о механизме происхождения интронов, ясно указывая на совершенно неожиданный путь — возникновение как случайных событий, возникающих при репарации двунитевых разрывов», — сказал Линч.
Больше информации: «Extensive, Recent Intron Gains in Daphnia Populations» Science, v. 326, pp. 1260-1262