Одна из основных проблем молекулярной биологии — разобраться в том, каким образом в клетках с одинаковым набором генов могут синтезироваться разные наборы белков. В многоклеточном организме во всех клетках, за небольшим исключением, содержится одна и та же генетическая информация, закодированная в последовательности нуклеотидов ДНК. Эта нуклеотидная последовательность служит инструкцией для сборки белков, которые в конечном счете выполняют все клеточные функции. На первый взгляд все клетки многоклеточного организма должны производить одни и те же белки.
В действительности в клетках данного вида синтезируется только ограниченный, определенный для этого вида клеток набор белков. Каким же образом осуществляется регуляция генетического аппарата? Как достигается то, что клетки данного типа производят только определенные белки и ровно столько, сколько их надо? Клетки многоклеточных организмов являются эукариотическими, т. е. они имеют четко выраженное ядро. В ядре таких клеток нуклеотидная последовательность гена, т. е. участка ДНК, кодирующего один белок, транскрибируется в РНК. Далее РНК выходит из ядра в окружающую его цитоплазму, где при трансляции она служит матрицей для синтеза белка.
Таким образом, в эукариотических клетках возможно существование нескольких уровней генетической регуляции. Могут регулироваться выбор участков ДНК, которые должны транскрибироваться, то, какие из транскрибированных последовательностей должны транспортироваться в цитоплазму, и эффективность трансляции определенной РНК. Давно уже известно, что контроль на уровне транскрипции и трансляции играет важную роль в экспрессии генов эукариот. В то же время о том, что происходит с РНК на этапе между транскрипцией и трансляцией, до 1975 г. имелись лишь отрывочные сведения.
В конце 70-х годов стало ясно, что ново-синтезированная РНК, прежде чем превратиться в зрелую информационную, или матричную, РНК (мРНК), используемую в процессе трансляции, претерпевает ряд существенных изменений — процессинг. К обоим концам цепи РНК присоединяются различные структуры. Определенные нуклеотиды подвергаются химической модификации. Пожалуй, наиболее интригующим было открытие того, что продукт транскрипции может разрезаться на фрагменты и сшиваться вновь (этот процесс получил название «сплайсинг»), с образованием мРНК, которая оказывается короче первичного транскрипта. При этом иногда транскрипт может сплайсироваться несколькими различными путями, что приводит к формированию разных мРНК и, следовательно, разных белков.
Не исключено, что возможность сплайсирования одной и той же РНК различными способами — это одна из форм генетической регуляции. В отдельных случаях показано, что так оно и есть. Складывается впечатление, что пост транскрипционный процессинг необходим для многих мРНК, но служит формой регуляции только для некоторых из них. Открытие процессинга мРНК углубило наши представления об экспрессии генов, что уже само по себе значительный шаг вперед. Более того, оно послужило основой для создания интереснейших гипотез по поводу эволюции генов и клеток. Исходя из этих и некоторых других соображений Ф. Дулитл (Университет Далхузи, пров. Новая Шотландия, Канада), Д. Ринней (Латробский университет, Австралия) и я пришли к выводу, что когда-то, в «доклеточные» времена, информация, кодирующая белок, не была непрерывной. Хотя последовательность клеточных событий, ведущих к синтезу белка, начинается с ДНК, в настоящее время многое говорит о том, что исторически первой кодирующей нуклеиновой кислотой была РНК, а не ДНК.
В самом деле, примитивные РНК могут синтезироваться без участия ферментов. РНК способна хранить генетическую информацию и принимает непосредственное участие в трансляции. Если РНК возникла как случайная последовательность нуклеотидов, ее полезная информация могла и не быть непрерывной. В таком случае сплайсинг как способ соединения полезных информационных участков был очень выгодным эволюционным приобретением и появился, должно быть, очень рано. Недавно Т. Цек (Колорадский университет, г. Боулдер) показал, что сплайсинг РНК может осуществляться без участия ферментов, по крайней мере у простейшего. Так что вовсе не исключено, что сплайсинг РНК — это действительно очень древний механизм экспрессии генов.
Эволюционные гипотезы очень трудно проверить, во всяком случае, это дело будущего. Пока что есть еще много более животрепещущих вопросов, касающихся процессинга. Сейчас многие исследователи ищут ферменты сплайсинга. Выделив их, можно будет выяснить, как происходит выбор того или иного пути сплайсинга. Важно так же узнать, почему выбирается тот или иной участок присоединения poly (А). И наконец, остается нерешенным общий вопрос: насколько важен сплайсинг для генетической регуляции в целом? Впрочем, независимо от ответа на него исследования процессинга РНК откроют еще массу интересного об экспрессии генов у эукариот.
