Бессмысленные участки внутри генов делают дрожжи устойчивыми к нехватке питательных веществ.

Мы часто слышим, что в нашем геноме кроме генов есть ещё некодирующая, или «мусорная», ДНК. Если ДНК в генах кодирует белки, то мусорная никаких белков не кодирует, и долгое время было непонятно, зачем она вообще нужна. Потом в ней стали открывать участки, которые управляют активностью генов, однако в мусорной ДНК есть и самый настоящий генетический мусор – например, старые копии генов, вышедшие из строя. Однако мусор есть не только помимо генов – он есть и внутри самих генов.

Клетки дрожжей; разные клеточные структуры окрашены разными цветами. (Фото: The Journal of Cell Biology / Flickr.com) 

Схема сплайсинга – некодирующий интрон в незрелой РНК (pre-mRNA) вырезается, а экзоны сшиваются в зрелую сплайсированную РНК (spliced RNA). (Иллюстрация: BCSteve / Wikipedia) 

Если взять последовательность ДНК какого-нибудь гена, мы увидим, что в нём кодирующие участки перемежаются некодирующими. Это похоже на то, как если бы мы обнаружили, что в книге осмысленный текст перемежается страницами с бессмысленным, случайным набором букв. Кодирующие участки гена называются экзонами, бессмысленные – интронами; почти все гены эукариот (то есть зверей, птиц, грибов, растений и пр.) состоят из экзонов и интронов.

Мы знаем, что генетическая информация копируется специальными ферментами с ДНК в молекулу РНК, а на РНК потом уже синтезируются молекулы белков в соответствии с генетическим кодом. Но поскольку ферменты, работающие с ДНК, копируют в РНК и экзоны, и интроны, РНК потом приходится перемонтировать – вырезать все интроны и сшивать экзоны в единый осмысленный текст. Эта процедура называется сплайсинг, и для неё в клетках опять же есть свои специальные ферменты.

Биологи довольно давно спорят, в чём смысл интронов. В некоторых случаях они помогают управлять активностью гена, так как замедляют работу белков, считывающих информацию с ДНК, или каким-то другим способом. Кроме того, интроны помогают сделать так, чтобы один ген кодировал несколько вариантов белка. Во время сплайсинга кодирующие фрагменты гена (то есть экзоны) можно соединять тем или иным способом – это называется альтернативный сплайсинг, и в результате получаются разные РНК. Однако все подобные объяснения подразумевают, что сами по себе интроны ни для чего не нужны.

И вот сейчас в Nature вышло сразу две работы, в которых говорится, что мусорная интронная ДНК может быть нужна именно сама по себе. Одну статью опубликовали исследователи из Института Уайтхеда: подсчитывая количество РНК в дрожжах, они обнаружили, что в дрожжевых клетках накапливаются вырезанные из РНК интронные куски, хотя по идее эти ненужные куски РНК должны быстро расщепляться. Среди дрожжевых интронов особо стабильными оказались 34, то есть примерно 11% от общего числа интронных последовательностей в дрожжевом геноме. Причём накапливались они в то время, когда рост дрожжей замедлялся.

Когда с помощью методов генной инженерии у дрожжей интроны вырезали, то оказалось, что безинтронные клетки хуже переносят голод. Если же питательных веществ было вдоволь, то у дрожжей без интронов, наоборот, появлялось преимущество перед нормальными: безинтронные росли и размножались лучше.

Исследователи из Шербрукского университета, опубликовавшие другую статью, создали без малого триста штаммов дрожжей, у каждого из которых был удалён из генома какой-то один интрон. Эффект был похожим: безинтронные дрожжи хуже выдерживали голод, хотя когда пищи было вдоволь, они не так уж сильно выигрывали у нормальных дрожжей, у которых все интроны были при себе. По словам авторов работы, пережить голод дрожжам помогают около 90% их интронных последовательностей.

Как именно тут работают интроны, пока неясно, хотя, как пишет портал The Scientist, авторы обеих работ предлагают сходное объяснение. Мы говорили, что интроны вырезают особые белковые машины – они называются сплайсосомами. Стабильные интроны остаются возле тех сплайсосом, которые их вырезали. Можно предположить, что они просто не дают ферментам работать, так что они не могут взяться за новые РНК, чтобы сделать их пригодными к синтезу белка.

Синтез белка ослабевает, а значит, клетка экономит энергию – а значит, ей хватит ресурсов пережить нехватку питательных веществ. Удалось показать, что накапливающиеся интроны действительно уменьшают активность одного из генов рибосомных белков. Рибосомы как раз занимаются синтезом белка на РНК-матрицах, но и сами рибосомы состоят из специальных белков, и если для рибосом не хватает молекулярных запчастей, общий синтез белка замедлится.

С другой стороны, тот же механизм, которые помогает не разбазаривать ресурсы в голодное время, может совершенно зря тормозить рост дрожжей, когда ресурсов достаточно. Очевидно, интроны должны ориентироваться на какой-то датчик – молекулу или комплекс молекул, которые в соответствии с наличием питательных веществ должны разрешать нейронам подольше пожить. Не исключено, что у интронов найдутся в перспективе и непосредственные другие функции, и не только у дрожжей, но и у нас – но для этого нужно дождаться новых исследований нашей «мусорной» ДНК.