На активность гена влияют бессмысленные фрагменты ДНК, находящиеся внутри самого гена.

Когда мы говорим о геноме, то представляем себе некий текст, в котором каждый ген – это как бы одно слово. Такое сравнение очень удобно и до некоторой степени корректно: ведь гены в ДНК действительно выглядят как чередование четырёх химических «букв» – азотистых оснований аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (C).

Arabidopsis thaliana, или резуховидка таля, давно стала одним из основных модельных объектов в биологии. (Фото: kovalvs / Depositphotos.)

Ген с двумя экзонами и интроном между ними. (Иллюстрация: Wikipedia.)

Только что синтезированная РНК (pre-mRNA) содержит в себе как экзоны, так и интроны. Во время сплайсинга интроны исчезают, а экзоны соединяются вместе. (Зеленым обозначены регуляторные области, влияющие на синтез белка.) (Иллюстрация: Wikipedia.)

Смысл генетических «слов» проявляется, когда заключенная в них информация превращается в белок: сначала с гена сходит РНК-копия, которую потом читают белок-синтезирующие машины, собирающие белковую молекулу точно соответствии с тем, что записано в РНК (синтез РНК называется транскрипцией, синтез белка – трансляцией).

Правда, тут стоит помнить о двух вещах. Во-первых, генетические «слова со смыслом» перемежается кусками какой-то бессмыслицы – между генами находятся последовательности ДНК, которые никаких белков не кодируют. Во-вторых, сами «слова»-гены состоят из фрагментов, которые называются интронами и экзонами.

Экзоны – «смысловые» фрагменты, в интронах же никакой информации для синтеза белка нет. Представим себе слово «корова», в котором между слогом «ко-» (один экзон) и оставшейся частью «-рова» (второй экзон) есть какая-то бессмысленная последовательность букв (интрон), и чтобы прочесть «корову», нам нужно выбросить эту бессмыслицу. Нечто похожее происходит и на молекулярном уровне: когда на гене в ДНК синтезируется его РНК-копия, она поначалу включает в себя все как есть, и интроны, и экзоны. Но потом РНК проходит через процедуру, которая называется сплайсинг: специальные ферменты вырезают интроны и соединяют экзоны в осмысленное слово.

И некодирующую ДНК между генами, и интроны в свое время назвали мусорной ДНК. Выдвигались разные гипотезы о том, как и зачем она вообще появилась в ходе эволюции, тем более – в таком количестве (интроны, например, составляют в сумме 90% последовательностей генов). Но в последнее время появляется все больше данных, из-за которых слово «мусорная» надо брать в кавычки. Оказывается, что такая ДНК может влиять на активность генов: в ней находятся регуляторные области, которые подавляют или стимулируют синтез РНК-копий на «осмысленных» участках ДНК, в «мусорной» же ДНК часто бывают закодированы разного рода регуляторные РНК – они не несут белковой информации, но опять же служат мощным инструментом регуляции генетической активности.

Что до интронного «мусора», то со временем обнаружилось, что если из гена полностью убрать эти бесполезные последовательности, то ген станет малоактивным. Интроны можно сравнить с регуляторами громкости: пусть ген формально работает, но от интронов зависит, насколько интенсивно на нем будет идти транскрипция, сколько копий РНК будет сделано на гене.

Однако, как показали эксперименты исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе, интроны могут играть роль не только регуляторов громкости, но и генетических включателей. Вообще включателями для генов служат особые последовательности в ДНК под названием промоторы: они находятся перед геном и «приманивают» на себя белки, которые занимаются синтезом РНК-копий. Промотор – обязательная регуляторная последовательность, без нее ген если и будет работать, то очень, очень плохо. Но в некоторых случаях, как оказалось, функцию включателя-промотора могут брать на себя интроны.

Дженна Гайегос (Jenna Gallegos) и Алан Роуз (Alan Rose) экспериментировали с растениями Arabidopsis thaliana. Они присоединяли к одному из генов арабидопсиса ген, который давал синий пигмент: если собственный ген растения работал нормально, то вместе с ним работал и добавочный «синий» ген, так что арабидопсис становился синим. Когда у гена убирали интроны, то, как и ожидалось, он переставал работать, и синий оттенок у растения не появлялся.

Но потом у гена убрали промотор, а интроны, наоборот, оставили, где они и были. И арабидопсис посинел. То есть ген, лишенный последовательности включателя, все равно заработал – благодаря присутствию интронов. Сам авторы работы сравнивают это с тем, как если бы радио, выдернутое из розетки, все равно заработало, когда ему повернули ручку громкости.

Подробно результаты эксперимента описаны в статье в The Plant Cell. Теперь перед исследователями стоит задача расшифровать собственно молекулярный механизм того, что происходит (то есть как интроны, которые находятся внутри гена, влияют на ферменты, которые взаимодействуют с началом гена), и заодно выяснить, у каких генов есть еще и интронный включатель, а каким хватает только промотора. Возможно, с помощью таких включателей удастся усовершенствовать методы генетической инженерии, сделав их более эффективными и дешевыми.