Прерывистые гены. 
Генетика в 2 ч. Часть 1

Сначала в молекулярной генетике изучали гены главным образом простейших организмов: бактерий и их паразитов — вирусов. Во второй половине 1970;х гг. у биологов появилась техника, которая позволила им изучать структуру и функции генов у более сложных организмов, таких как млекопитающие, птицы, растения и др. Именно тогда было обнаружено, что гены этих организмов отличаются от генов бактерий. Оказалось, что это не цельные образования, а состоящие из «частей и кусочков», что было неожиданностью для генетиков. Иными словами, если представить себе гены в виде текста, содержащего генетическую информацию, то у бактерий он непрерывен, а у высших организмов расчленен множеством вставок из других текстов.

Итак, при изучении структурных генов у эукариот было установлено, что многие из них, кроме отрезков ДНК, кодирующих аминокислоты в полипептидной цепи, включают в свой состав «лишние», «молчащие» участки ДНК, которые не кодируют аминокислоты. По предложению В. Джильберта они были названы интронами, а участки генов, кодирующие аминокислоты, — экзонами. Интроны могут быть также обозначены как мДНК (молчащая ДНК), а экзоны — как кДНК (кодирующая ДНК). Одновременное вхождение в состав генов экзонов и интронов оказалось универсальной особенностью структурных генов эукариот, которой лишены только гены, кодирующие гистоны, и псевдогены. Интроны обнаружены и в генах митохондрий, а также в последовательностях РНК и ДНК вирусов, поражающих клетки животных, таких как аденовирус 2-го типа, SV40, вирус полиомиелита и др.

Использование методов молекулярной генетики и электронномикроскопического анализа дало возможность получить более полную информацию о структуре и организации многих структурных генов эукариот. Оказалось, что число интронов и их положение в каждом из генов индивидуальны. В гене овальбумина курицы обнаружено 7 интронов, а в гене коллагена — 51.

Средняя длина интронов составляет несколько сотен пар нуклеотидов, а суммарная их длина обычно превышает аналогичный показатель экзонов во много раз. Установлено, что интроны расположены не по краям гена, а распределены по всей его длине. Другими словами, гены высших организмов состоят из кодирующих участков — экзонов, разделенных некодирующими — нитронами. Определение нуклеотидных последовательностей в интронах на стыке с экзонами выявило наличие динуклеотида АГ на З'-концс и динуклеотида ГТ на 5-конце.

Образование молекул мРНК у эукариот характеризуется двумя особенностями. Во-первых, сначала транскрибируется высокомолекулярная пре-мРНК, в которой представлены копии как экзонов, так и интронов. Во-вторых, поскольку трансляция требует наличия только комплекса экзонов, при образовании зрелых молекул мРНК действует механизм удаления всех последовательностей, свойственных интронам. При созревании молекул пре-мРНК участки, транскрибированные с интронов, вырезаются, а оставшиеся фрагменты, содержащие экзоны, ковалентно сшиваются, образуя трансляционную систему гена, состоящую только из экзонов, расположенных друг за другом в нужном порядке. Таким образом, генетическая информация приобретает непрерывную последовательность кодирующих нуклеотидов, подобную таковой в классическом случае с бактериями. Процесс сращивания экзонов в общую нить мРНК был назван сплайсингом (от англ, splice — сращивание концов) (рис. 5.27).

Рис. 5.27. Синтез белка с прерывистого гена.

Таким образом, сплайсинг — это специфический биохимический процесс, который приводит к вырезанию нитронов и соединению экзонов. Логично было предположить, что в этом процессе участвуют ферменты, как и во всех биологических процессах. Тогда возникает вопрос об их идентификации и о том, как им удается вырезать и соединять последовательности нуклеотидных пар с такой точностью. Проблема распознавания границ интронов очень важна, ведь если ферменты сработают неточно, то, соединившись, экзоны будут кодировать совершенно другой, неактивный белок (рис. 5.28). В таких случаях говорят о «сдвиге рамки считывания».

Нуклеотидную последовательность можно прочесть по одной из трех рамок считывания. При этом каждый раз получается новая последовательность аминокислот в синтезируемой полипегггидной цепи. В третьем варианте считывания появляется терминирующий кодон, который прерывает синтез белковой цепи.

Рис. 5.28. Чтение нуклеотидной последовательности.

Следовательно, то, что сплайсинг пре-мРНК происходит по границам интронов и экзонов без сдвига рамки считывания нуклеотидов, имеет особое значение.