Биологи из Массачусетского технологического института считают, что альтернативное сращивание сигналов РНК, сигнализирующих в разных тканях, может часто способствовать различиям в видах.
Когда гены были впервые обнаружены, каноническая точка зрения заключалась в том, что каждый ген кодирует уникальный белок. Однако впоследствии биологи обнаружили, что сегменты генов можно комбинировать по-разному, создавая множество различных белков.
Это явление, известное как альтернативное сращивание РНК, часто изменяет результаты сигнальных сетей в разных тканях и может непропорционально способствовать различиям между видами, согласно новому исследованию биологов MIT.
Проанализировав огромное количество генетических данных, исследователи обнаружили, что одни и те же гены выражены в одних и тех же типах тканей, таких как печень или сердце, через виды млекопитающих. Однако альтернативные шаблоны сплайсинга, которые определяют сегменты этих генов, включенных или исключенных, варьируются от видов к видам.
«Основные вещи, которые делают сердце сердцем, в основном определяются сигнатурой экспрессии гена, специфичной для сердца. Но основные вещи, которые делают мышь мышью, могут непропорционально проистекать из шаблонов сращивания, которые отличаются от моделей крыс или других млекопитающих », – говорит Крис Берг, профессор биологии и биологической инженерии Массачусетского технологического института, и старший автор статьи о выводах в 20 декабря онлайн-издание Science.
Ведущим автором статьи является аспирант биологии MIT Джейсон Меркин. Другие авторы – Кейтлин Рассел, бывший техник лаборатории Бурге, и Пин Чен, посещающий студент-испытатель Массачусетского технологического института.
Различные белки
Альтернативное сращивание РНК (открытие, для которого профессор Института философии Массачусетского технологического института Филипп Шарпшаред 1993 года получил Нобелевскую премию по медицине или физиологии), контролирует состав белков, кодируемых геном. У млекопитающих гены, состоящие из ДНК, хранящейся в ядре клетки, состоят из многих коротких сегментов, известных как экзоны и интроны. После того, как ДНК копируется в транскрипт РНК, все интроны и часто некоторые экзоны вырезаются до того, как мессия РНК (мРНК) покидает ядро, неся инструкции, чтобы сделать конкретный белок.
Этот процесс позволяет клеткам создавать гораздо более широкий спектр белков, чем это было бы возможно, если бы каждый ген кодировал только один белок. Некоторые белки, включая Dscam во фруктовых мухах и нейрексине у людей, имеют тысячи альтернативных форм. Говорят, эти варианты белков могут иметь совершенно разные функции. Например, полная версия белка может связываться с ДНК на одном конце и активировать транскрипцию ДНК на другом конце. Если в альтернативной сплайсированной форме отсутствует секция активации, она будет конкурировать за связывание с теми же участками ДНК, что и полноразмерный белок, предотвращая активацию транскрипции.
В 2008 году Burge и его коллеги проанализировали мРНК из 10 различных тканей человека, опубликовав свои результаты в Nature, и обнаружили, что почти каждый ген альтернативно сращивается. Кроме того, было обнаружено, что большинство альтернативных сплайсинга различаются между тканями.
В новом исследовании исследователи сравнили ткани разных видов млекопитающих – обезьяны-резуса, крысы, мыши и коровы, а также одного вида птиц, курицы. Для каждого вида исследователи проанализировали девять типов тканей (мозг, толстая кишка, сердце, почка, печень, легкие, мышцы, селезенка и семенники) у трех особей, секвенировавших более триллиона оснований мРНК.
Используя новую высокоскоростную технологию секвенирования, исследователи проанализировали как экспрессию генов, так и альтернативные образцы сплайсинга в каждом образце ткани. Они обнаружили, что образцы экспрессии генов были чрезвычайно похожими по тканям, независимо от того, из каких видов происходит ткань. То есть, гены, активные в ткани почек у крыс, были почти идентичны тем, которые были включены в ткань почки коровы.
«Это не было большим сюрпризом, – говорит Бурдж. «Это согласуется с идеей, что шаблон экспрессии генов действительно определяет идентификацию ткани. Вам нужно выразить определенные структурные и моторные белки, если вы – мышечная клетка, и если вы – нейрон, вам нужно выразить определенные синаптические белки ».
Результаты сравнения альтернативных сплайсинга были очень разными. Вместо кластеризации по тканям образцы сгруппированы в основном по видам. «Различные ткани у коровы больше похожи на другие ткани коровы, с точки зрения сращивания, чем они похожи на соответствующую ткань мыши или крысы или резус», – говорит Бурдж.
Поскольку шаблоны сращивания более специфичны для каждого вида, кажется, что сплайсинг может способствовать преимущественным различиям между этими видами, говорит Бурдж. «Склеивание, по-видимому, более гибкое в течение более коротких эволюционных сроков и может способствовать тому, что разные виды отличаются друг от друга и помогают им адаптироваться по-разному», – говорит он.
Новое исследование – это первая крупномасштабная попытка взглянуть на роль альтернативного сплайсинга в эволюции, говорит Брентон Гравели, профессор генетики и биологии развития в Университете Коннектикутского медицинского центра. «Это дает много нового понимания потенциальной роли альтернативного сплайсинга в управлении различиями между видами», – говорит Грейли, который не участвовал в этом исследовании.
Новые функции
Исследователи также обнаружили, что основной функцией альтернативного сплайсинга является добавление и удаление коротких сегментов белка, которые содержат один или несколько сайтов фосфорилирования. Фосфорилирование (добавление молекулы фосфата) является очень распространенным способом активации или деактивации белков клетками.
Когда в варианте формы белка отсутствует ключевой сайт фосфорилирования, он может потерять функцию исходной формы. Фосфорилирование также может направлять белки в разные места в клетке, что может изменить их функцию.
Изменения в шаблонах сплайсинга также помогают модифицировать сигнальные сети, которые регулируют большую активность сотовой связи. Эти сети часто контролируются фосфорилированием белков, вовлеченных в сеть, многие из которых могут быть альтернативно сплайсированы. «Вы можете думать об этом как о пересылке сигнальных сетей, чтобы они контролировали разные результаты. Скрещивание может добавить новый выход или удалить его специфическим для ткани способом », – говорит Бурдж.
Исследователи также выделили несколько тысяч новых альтернативных экзонов у каждого вида и теперь изучают, как эти экзоны развивались и изучали их потенциальные функции.