Почти во всех живых организмах генетическая информация закодирована в ДНК, а посредством транскрипции переносится в РНК трех различных типов: матричную РНК, на которой при трансляции образуются белки, рибосомную РНК и транспортную РНК, которые играют важную роль в трансляции. Различные стадии транскрипции и трансляции катализируются ферментами. Например, нуклеазы расщепляют нуклеиновые кислоты на фрагменты, лигазы «сшивают» такие фрагменты друг с другом или соединяют их в кольца.
Считалось само собой разумеющимся, что для каждой такой реакции есть свой фермент и что нуклеиновые кислоты не способны расщепляться на фрагменты и вновь соединяться самостоятельно. Но так ли это? Совсем недавно сотрудники Колорадского университета (г. Боулдер) получили веские доказательства в пользу того, что у одноклеточного организма Tetrahymena thermophila есть РНК, которая сама осуществляет как раз такую реакцию. У некоторых видов Tetrahymena гены, кодирующие рибосомную РНК, как бы разорваны, т. е. кодирующая часть генов прерывается так называемыми вкрапленными последовательностями, или интронами.
Ген транскрибируется целиком с образованием предшественника рибосомной РНК, а затем происходит его сплайсинг: интрон вырезается из предшественника, а две длинные последовательности, которые располагались до и после нитрона, соединяются вместе ковалентной связью с образованием зрелой рибосомной РНК. Пока ничего удивительного: еще в 1977 г. было известно, что у организмов, стоящих на эволюционной лестнице выше бактерий, во многие гены матричных, рибосомных и транспортных РНК вкраплены интроны.
Однако, исследуя сплайсинг у Т. thermophila, Т. Цек и его коллеги из Колорадского университета столкнулись с неожиданностями. Во-первых, оказалось, что интрон, вырезанный из РНК-предшественника в виде линейной молекулы, вскоре замыкается в кольцо. Во-вторых, анализируя последовательность РНК на ее начальном конце (т.е. на 5'-конце) обнаружили лишний гуанозиновый нуклеотид — лишний в том смысле, что он не закодирован в ДНК, с которой считывается рибосомная РНК. Но совсем уже странные вещи начались, когда Цек и его сотрудники попытались детально исследовать транскрипцию ДНК с образованием РНК: оказалось, что предшественник РНК короткоживущий. Даже в искусственной системе, в которой сплайсинг не должен происходить, интрон быстро вырезался из предшественника и замыкался в кольцо.
Никакие белки в этом процессе, судя по всему, не участвовали. Варьируя концентрацию соли в системе, исследователи сумели разобщить транскрипцию и сплайсинг, так что предшественник РНК накапливался. А когда к нему добавляли достаточное количество гуанозинтрифосфата (GTP), начинались сплайсинг и образование кольцевых молекул, причем даже если предварительно все белки были тщательно удалены. Было показано, что GTP нужен на стадии вырезания: одна молекула GTP внедряется между 5'-концевым экзоном и началом интрона, другая встраивается у 3'-конца интрона, а затем вклинивается у 5'-конца, и в результате интрон замыкается в кольцо.
И вот теперь те же исследователи из Колорадского университета получили более строгие доказательства существования автосплайсинга и само замыкания в кольцо. Результаты своих экспериментов К. Крюгер, П. Грабовски, А. Зауг, Дж. Сэндз, Д. Готтшлинг и Т. Цек опубликовали в журнале "Cell". Они встроили интрон и примыкающие к нему участки экзонов в плазмиду (плазмида — это небольшая кольцевая молекула ДНК из бактерий), затем очищенную плазмидную ДНК транскрибировали с помощью бактериальной полимеразы, которая на ДНК-матрице соединяет отдельные нуклеотиды в молекулу РНК. Полимеразу удаляли, так что в системе не оставалось белков.
И вновь интрон сам вырезался и замыкался в кольцо. Цеку и его сотрудникам удалось также продемонстрировать, что в ходе той же реакции, в которой вырезается интрон, сшиваются два экзона. Есть основания считать, что во многих отношениях интрон Т. thermophila действует как фермент. Цек назвал его рибозимом. Распространены ли в природе рибозимы? Этого пока никто не знает. Пока что идентифицировано мало ферментов сплайсинга, и вполне может оказаться, что автокатализ — широко распространенное явление (хотя маловероятно, что он имеет место при сплайсинге предшественников матричных РНК, для которого, по-видимому, не требуется целостности последовательности интронов).
Впрочем, достаточно оказалось обнаружить один единственный случай автосплайсинга, чтобы появились новые идеи о функциях РНК. В отличие от двуспиральной ДНК одно цепочечная РНК легко сворачивается в структуры самой причудливой формы, а ведь типичным ферментам как раз свойственна сложная специфическая трехмерная конфигурация молекулы. Последнее время все чаще говорят о том, что некоторые РНК могут играть в трансляции и других процессах не только чисто структурную, но и активную роль.