Поток информации, представленный по теме экспрессии генов, лучше всего рассмотреть на примере конкретного хорошо изученного гена, гена b-глобина. Цепь b-глобина представляет собой полипептид из 146 аминокислот, закодированный геном, занимающим приблизительно 1,6 килобазы в коротком плече хромосомы 11. Ген имеет три экзона и два нитрона. Ген b-глобина, а также другие гены этой группы транскрибируются в направлении от центромеры к теломере. Ориентация отличается у разных генов в геноме и зависит от того, на какой половине двойной спирали хромосомной ДНК находится кодирующая нить конкретного гена.
ДНК последовательность, необходимая для точной инициации транскрипции гена b-глобина, расположена в промоторе в пределах приблизительно 200 пар оснований выше стартового сайта транскрипции. Как упомянуто ранее, реально транскрибируется участок от 3' до 5'-конца ДНК, служащий шаблоном, но соответствует и практически идентичен полученной РНК участок от 5' до 3'-конца нити ДНК, за исключением того, что тимин заменен на урацил. По этой причине в научной литературе и базах данных гены обычно приводят по нити 5'-3'.
В соответствии с данным соглашением, полная последовательность приблизительно 2 килобаз хромосомы 11, включающая ген b-глобина. (Примечательно, что все эти нуклеотиды составляют только 0,000067% последовательности генома человека!) В этих 2 килобазах содержатся большинство, но не все элементы, требующиеся для кодирования и управления экспрессией гена бета-глобина.
Инициация транскрипции при синтезе бета-глобина
Промотор бета-глобина, подобно многим другим промоторам, состоит из серии сравнительно коротких функциональных элементов. Они взаимодействуют со специфическими белками (в целом называющимися факторами транскрипции), регулирующими транскрипцию и включающими, в случае гена глобина, те белки, которые ограничивают экспрессию этого гена эритроидными клетками (место синтеза гемоглобина). Одна важная последовательность промотора — блок TATA (ТАТА-бокс), консервативная область, богатая аденином и тимином и представленная приблизительно 25-30 парами оснований, расположенных выше стартовой точки транскрипции.
ТАТА-бокс важен для определения позиции инициатора транскрипции, располагающейся для гена бета-глобина приблизительно на 50 пар выше места начала трансляции. Таким образом, в этом гене присутствует примерно 50 пар оснований, которые транскрибируются, но не транслируются. В других генах 5'-нетранслируемая область может быть значительно больше и даже может прерываться одним или более нитронами. Второй консервативный участок, так называемый блок CAT (на самом деле — ССААТ), — небольшое количество пар оснований, расположенных дальше по ходу гена.
Значение этих элементов для нормальной экспрессии гена доказывает резкое уменьшение уровня транскрипции, вызванное как экспериментальными, так и естественно происходящими мутациями в любом из них, а также в других управляющих последовательностях, даже расположенных выше этой области. У пациентов с бета-талассемией найдено множество мутаций в этих управляющих элементах.
Не все промоторы генов содержат описанные два специфических элемента. В частности, гены, экс-прессирующие в большинстве или во всех тканях (так называемые гены домашнего хозяйства), часто не имеют CAT и ТАТА-боксов, более типичных для тканеспецифичных генов. Промоторы многих служебных генов часто содержат высокую пропорцию цитозина и гуанина по сравнению с окружающей ДНК. Такие CG-богатые промоторы часто расположены в областях генома, называемых CpG островками из-за необыкновенно высокой концентрации динуклеотида 5'-CG-3', выделяющейся на фоне геномного пейзажа, в основном богатого AT.
Некоторые CG-богатые элементы, обнаруженные в таких промоторах, вероятно, служат точками прикрепления специфических факторов транскрипции. CpG-островки также важны как объекты модификации ДНК метилированием одного из атомов углерода в цитозине. Выраженное метилирование ДНК в CpG-островках обычно связано подавлением транскрипции гена. Этот тип инактивации гена обнаружен при многих видах рака и служит меткой нескольких важных регуляторов развития, например геномного импринтинга и инактивации Х-хромосомы.
Дополнительно к последовательностям, формирующим собственно промотор, существуют и другие элементы, которые могут значимо изменять эффективность транскрипции. Наиболее точно функцию активирующих последовательностей характеризует термин «энхансер» (от англ. enhance — усиливать). Энхансеры могут действовать, стимулируя транскрипцию гена, на расстоянии (часто несколько килобаз и более) от него. В отличие от промоторов, энхансеры не зависят ни от позиции, ни от ориентации, и могут располагаться как выше, так и ниже места начала транскрипции.
Элементы энхансера функционируют только в определенных типах клеток и, таким образом, совместно с другими факторами транскрипции устанавливают специфичность ткани или уровня экспрессии многих генов. В случае гена бета-глобина несколько тканеспецифичных энхансеров присутствуют как в пределах гена, так и в его фланговых областях. Взаимодействие энхансеров с конкретными белками приводит к повышению уровня транскрипции.
Для нормальной высокоуровневой экспрессии гена бета-глобина необходимо соответствующее хроматиновое окружение. В частности, необходимы удаленные последовательности, называемые локус-контролирующими областями (LCR) и расположенные выше гена бета-глобина. Как и следовало ожидать, мутации, нарушающие последовательности энхансера или локус-контролирующего участка, создают помехи или препятствуют экспрессии гена бета-глобина.
Сплайсинг РНК при синтезе бета-глобина
Первичная копия РНК гена бета-глобина содержит два интрона, приблизительно 100 и 850 базовых пар длиной, которые должны быть удалены. Этот процесс называется созреванием или сплайсингом (англ. splicing — сращивание). Процесс сплайсинга — точный и эффективный: 95% копий бета-глобина обрабатываются безошибочно, формируя функционирующую глобиновую мРНК. Реакции сплайсинга управляются специфическими последовательностями в первичной копии РНК как в 5', так и в 3'-концах интронов.
5'-Последовательность состоит из девяти нуклеотидов, два из которых [динуклеотид GT (GU в РНК), расположенный в интроне рядом с точкой сплайсинга], фактически не отличаются у различных генов.
3'-Последовательность состоит примерно из десятка нуклеотидов, из которой опять же два, AG, расположенные сразу возле 5'-границы интрона и экзона, обязательны для нормального сплайсинга. Точки сплайсинга не имеют отношения к рамке считывания конкретной мРНК. В некоторых случаях, например у первого интрона гена бета-глобина, интрон действительно разделяется специфическим кодоном.
Медицинское значение сплайсинга РНК состоит в том, что мутации в консервативных последовательностях на границе интронов и экзонов обычно нарушают сплайсинг РНК, с уменьшением объема нормальной зрелой бета-глобиновой мРНК; мутации в упомянутых GT или AG динуклеотидах всегда нарушают нормальный сплайсинг в интроне, содержащем мутацию. Показательны мутации в точках сплайсинга, выявленные у пациентов с бета-талассемией.
Альтернативный сплайсинг при синтезе бета-глобина
Как мы только что обсудили, при сплайсинге нитроны удаляются из первичной копии РНК, а оставшиеся экзоны сращиваются вместе, что приводит к формированию зрелой мРНК. Тем не менее у многих генов первичная копия может проходить многочисленные альтернативные пути сплайсинга, ведущие к синтезу родственных, но все же различных мРНК, создающих различные белковые продукты.
Альтернативному сплайсингу подвергается по крайней мере треть всех генов человека. При этом считают, что на один ген в среднем приходится 2 или 3 альтернативные копии, что существенно расширяет информационное содержимое генома человека с его предполагаемыми 25 000 генов. Особенно впечатляющий пример представляет ген калиевого канала, мутации в котором приводят к наследственной форме эпилепсии. Ген имеет 35 экзонов, восемь из которых подвергаются альтернативному сплайсингу.
С этого гена могут быть получены более 500 различных мРНК, кодирующих каналы с различными функциональными свойствами.
Полиаденилирование при синтезе бета-глобина
Зрелая мРНК бета-глобина содержит на 3'-конце между стоп-кодоном и полиадениловым хвостом приблизительно 130 нетранслируемых пар оснований. Как и в других генах, расщепление 3'-конца мРНК и концевое прикрепление поли-(А)-последовательности управляется, по крайней мере частично, последовательностью из приблизительно 20 пар оснований AAUAAA перед точкой полиаденилирования.
Мутации в этой сигнальной последовательности у пациентов с бета-талассемией отражают ее значение для процесса расщепления и полиаденилирования 3'-конца мРНК.
Нетранслируемая последовательность 3'-конца у некоторых генов может быть очень длинной, вплоть до нескольких килобаз. Другие гены имеют множество альтернативных мест полиаденилирования, выбор между которыми может влиять на устойчивость результирующей мРНК и, таким образом, на относительный вклад каждого варианта мРНК.
