Книга: Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Начало и конец

Начало и конец

Эта мутация кроется в мусорной области, с которой мы уже встречались. В главе 2 мы видели, как гены, кодирующие белки, собираются в модули. Все эти модули вначале копируются в информационную РНК, а затем объединяются (это может происходить по-разному). Участки, не кодирующие белки, в ходе этого процесса сплайсинга удаляются (см. рис. 2.4).

Но два участка мусорной ДНК всегда остаются в зрелой информационной РНК. Такие участки можно видеть на рис. 2.5 и на рис. 16.1. Поскольку области в начале и конце информационной РНК сохраняются при сплайсинге, но никогда не транслируются в белок, они называются нетранслируемыми областями[55]. Хотя они не вносят вклад в аминокислотную последовательность нормального белка, исследователи сейчас выявляют неведомые нам прежде пути, какими эти нетранслируемые области (напрямую не воздействующие на трансляцию, «перевод» с языка ДНК на язык РНК) могут влиять на экспрессию белков, а значит, и на состояние здоровья человека.

Корейские исследователи проанализировали ДНК-последовательности у 19 больных. Тринадцать из пациентов принадлежали к 3 семьям, которых затронул недуг, остальные же 6 больных представляли единичные случаи. Как выяснилось, у каждого из этих 19 человек наблюдается замена нуклеотидного основания Ц на основание Т в нетранслируемой области, которая находится в начале кодирующей белок зоны определенного гена[56]. Замена происходит всего за 14 нуклеотидных оснований от начала кодирующей белок зоны, которая находится в соответствующей информационной РНК. Такую замену Ц на Т не обнаружили ни у тех членов изучаемых семей, которых не коснулась болезнь, ни у 200 человек того же этнического происхождения, не связанных с испытуемыми близким родством³.

Рис. 16.1. Даже после того, как в результате сплайсинга объединяются участки информационной РНК, кодирующие белки, в молекуле остаются мусорные области — в начале и в конце.

Примерно в то же время ученые, работавшие в 5 тысячах миль от Кореи, в Германии, выявили такую же мутацию у девочки с тем же типом болезни хрупких костей и у пациента, не связанного с ней близким родством. В обоих случаях речь шла о новой мутации. У родителей пациентов она отсутствовала, а значит, возникла при выработке яйцеклеток или сперматозоидов⁴. Ученые проанализировали этот регион генома у более чем 5000 человек, не страдающих болезнью, и ни у кого не нашли такого изменения.

Когда мы смотрим на схематическое изображение информационной РНК (рис. 16.1), у нас может возникнуть представление, что зоны, кодирующие белок, и нетранслируемые области сильно отличаются друг от друга. Однако они нарисованы так исключительно для удобства восприятия, и в клетке выглядят по-другому. На уровне нуклеотидной последовательности они весьма схожи, ибо и те, и другие участки состоят лишь из нуклеотидных оснований РНК.

Для любого, кто хорошо понимает написанный по-английски текст, не составит труда расшифровать следующую строку:

Iwanderedlonelyasacloud[57]

Хотя все буквы образуют слитную цепочку без пробелов, нетрудно распознать, где начинаются и оканчиваются слова. То же самое и с клеткой: она способна различать нуклеотидные последовательности в нетранслируемых областях информационной РНК и в ее участках, кодирующих аминокислоты.

Трансляция информационной РНК для создания белка осуществляется в рибосомах (мы познакомились с этим процессом в главе 11). Информационная РНК пропускается через рибосому, причем первым, как нетрудно догадаться, в рибосому попадает начало этой молекулы. Ничего особенного не происходит, пока рибосома не прочтет определенную последовательность из тройки нуклеотидных оснований — АУГ (как упоминалось в главе 2, основание Т, имеющееся в ДНК, всегда заменяется в РНК на У — основание несколько иного состава[58]). Эта триада сигнализирует рибосоме: пора приступать к соединению аминокислот друг с другом, чтобы в итоге создать белок.

Иными словами, перед нами окажется подобие какого-нибудь такого куска текста (воспользуемся строчкой, приведенной выше):

dbfuwjrueahuwstqhwIwanderedlonelyasacloud

Прописная буква I — сигнал, что мы должны начать чтение нормальных слов. Она играет такую же роль, как и триплет АУГ, сигнализирующий, что пора начинать трансляцию.

У вышеупомянутых корейских и немецких пациентов, страдающих болезнью хрупких костей, в генах имеется участок, где нормальная ДНК-последовательность в нетранслируемой области изменена с АЦГ на АТГ (в РНК триплет АТГ отображается как АУГ). В результате рибосомы слишком рано приступают к созданию белковой цепочки. Это схематически показано на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Мутация в нетранслируемой мусорной области в начале информационной РНК вводит рибосому в заблуждение. Рибосома слишком рано приступает к соединению аминокислот, создавая белок, в начале которого появится лишняя аминокислотная последовательность.

Это приводит к странному явлению: мусорная РНК становится РНК, кодирующей белок. Такой процесс добавляет 5 лишних аминокислот к началу нормального белка (см. рис. 16.3). Белок, играющий роль в развитии этого типа болезни хрупких костей, частично расположен внутри клетки, а частично — снаружи. Изменение в мусорной ДНК добавляет 5 лишних аминокислот к той части белка, которая находится вне клетки.

Пока не совсем ясно, почему эти 5 аминокислот вызывают симптомы данной болезни. Эксперименты, проведенные ранее на мышах, показали, что избыток или нехватка указанного белка приводят к дефектам в скелете. А значит, вполне очевидно: в организме должно вырабатываться строго необходимое его количество⁵. Пять лишних аминокислот пристроены к той части белка, которая, по-видимому, соединяется с другими белками — или с какими-то молекулами, подающими сигналы костным клеткам. Возможно, обладание лишними аминокислотами мешает мутантному белку правильно реагировать на эти сигналы, как если бы кто-нибудь залепил жевательной резинкой сенсор дымового датчика.

Рис. 16.3. Справа: U-образный белок с 5 лишними аминокислотами в начале (изображены звездочками). Вероятно, эти лишние аминокислоты оказывают влияние на то, какие еще молекулы могут взаимодействовать с данным белком.

Болезнь хрупких костей — не единственное заболевание человека, вызываемое мутациями в нетранслируемых областях, расположенных в начале гена. Мощный генетический компонент выявлен примерно в 10% случаев меланомы — агрессивной формы рака кожи. В ряде таких генетически мотивированных случаев удалось идентифицировать мутацию, которая по характеру действия очень напоминает мутацию, вызывающую болезнь хрупких костей. Упрощенно говоря, изменение единственного нуклеотидного основания в нетранслируемой области, расположенной в начале гена, порождает аномальный АУГ-сигнал в информационной РНК. Это, опять-таки, приводит к тому, что рибосома слишком рано приступает к формированию белковой цепочки. Появляется белок с лишними аминокислотами в начале. Он ведет себя аномально и повышает риск возникновения рака⁶.

Как всегда, нам следует опасаться нашей склонности видеть определенный рисунок явлений, исходя из слишком малого количества данных. Не все мутации в нетранслируемой области, находящейся в начале гена, порождают новые аминокислотные последовательности. Существует другой тип рака кожи, обычно гораздо менее агрессивный, чем меланома. Он называется базальной карциномой и также имеет значительную генетическую составляющую. У отца и дочери с этой разновидностью злокачественной опухоли выявили редкую мутацию.

Нетранслируемая область в начале определенного гена обычно содержит последовательность ЦГГ, повторенную 7 раз подряд. У отца и дочери имелась лишняя копия этого триплета ЦГГ. Наличие 8 повторов вместо обычных 7 вызвало предрасположенность к базальной карциноме. Данная мутация не изменила аминокислотную последовательность белка, кодируемого этим геном. Судя по всему, тройка лишних нуклеотидных оснований вносила изменения в то, как рибосома обрабатывает соответствующую информационную РНК. Характер этих изменений пока не выяснен, но понятен их конечный результат: больные клетки экспрессируют гораздо меньше определенного белка, чем нормальные⁷.

Рак — заболевание многостадийное, и хотя эта мутация в не-транслируемой области, находящейся в начале определенного гена, создала у пациентов предрасположенность к злокачественным новообразованиям, в клетках наверняка происходили и другие события, повлекшие за собой полномасштабный рак.