Zasada  jeden gen, jedno bia"ko
juÅ» nie obowiÄ…zuje. Im bardziej
skomplikowany organizm,
tym bardziej prawdopodobne,
Że podstawą jego z"oŻonoĘci
jest zdolnoĘç kodowania wielu
bia"ek przez pojedyncze geny
Alternatywny
genom
GIL AST
Geny myszy i ludzi sÄ… aÅ» w 88% podobne. Wiele
róŻnic pomi´dzy nami a gryzoniami wynika
ze sposobu obróbki tej samej informacji genetycznej.
40 ÂWIAT NAUKI MAJ 2005
Gdy wiosnÄ… 2000 roku prace nad zsekwencjonowaniem ludzkiego genomu
dobiega"y koł
ca, biolodzy molekularni cing) informacj´ zawartÄ… w genach z"oÅ»o- lu organizmów jest nie do przecenienia.
robili zak"ady, ileÅ» to genów on liczy. nych organizmów moÅ»na przetwarzaç na ZaleÅ»y od niego na przyk"ad Å»ycie komó-
NajwyÅ»sze szacunki si´ga"y 153 tys. Ar- róŻne sposoby, co pozwala jednemu geno- rek. KaÅ»da z nich nieustannie Ęledzi zmia-
gumentowano, Å»e skoro ludzki organizm wi kodowaç dwa lub wi´cej bia"ek. Po- ny zarówno w otaczajÄ…cym Ęrodowisku,
wytwarza oko"o 90 tys. róŻnych bia"ek, równawcze badania genomu cz"owieka jak i we w"asnym wn´trzu i na tej pod-
to musi je kodowaç co najmniej tyle sa- i innych istot uĘwiadomi"y badaczom, w stawie rozstrzyga, czy rosnÄ…ç dalej, czy
mo genów. Ponadto istota tak z"oÅ»ona jak wielkim stopniu alternatywne sk"ada- dokonaç samozniszczenia w procesie
jak cz"owiek powinna byç wyposaÅ»ona nie odpowiada za zróŻnicowanie organiz- programowanej Ęmierci, zwanym apop-
w bogatszy zestaw genów niŻ sk"adają- mów o stosunkowo podobnych zestawach tozą. To drugie wybiera m.in. wtedy, gdy
cy si´ z zaledwie tysiÄ…ca komórek nicieÅ‚
genów. Ponadto dzi´ki temu mechani- nie jest w stanie naprawiç uszkodzeÅ‚

Caenorhabditis elegans, w którego ge- zmowi róŻne tkanki jednego organizmu DNA. Craig B. Thompson z University of
nomie jest 19.5 tys. genów, czy teÅ» kuku- mogÄ… wype"niaç róŻne funkcje, wykorzy- Pennsylvania i jego wspó"pracownicy nie-
rydza, majÄ…ca 40 tys. genów. stujÄ…c ten sam ograniczony zbiór genów. dawno pokazali, Å»e gen zwany Bcl-x, b´-
Dlatego teÅ» po og"oszeniu kilka mie- dÄ…cy regulatorem apoptozy, w wyniku al-
si´cy póęniej wst´pnej wersji ludzkiego Punkty zwrotne ternatywnego sk"adania koduje jedno
genomu wiele osób nie kry"o zaskocze- ZNACZENIE alternatywnego sk"adania jest z dwóch róŻnych bia"ek, Bcl-x(L) lub
nia. Zespó" sekwencjonujÄ…cy wyliczy" tym wi´ksze, im bardziej z"oÅ»ony jest Bcl-x(S). Pierwsze z nich zapobiega apop-
bowiem, Å»e cz"owiek ma od 30 tys. do organizm  szacuje si´, Å»e procesowi te- tozie, a drugie jÄ… aktywuje.
35 tys. genów kodujÄ…cych bia"ka. Zdzi- mu podlega nawet trzy czwarte ludz- MoÅ»liwoĘç produkcji tak róŻnorod-
wienie wzros"o jeszcze w kolejnych la- kich genów. Co wi´cej, samo jego ist- nych form bia"ek na podstawie informa-
tach, gdy w miar´ ustalania mapy ge- nienie najprawdopodobniej odegra"o cji z jednego genu zosta"a po raz pierw-
nomu szacowana liczba genów nadal znaczÄ…cÄ… rol´ w powstaniu tej z"oÅ»o- szy zaobserwowana 25 lat temu, lecz
mala"a, aÅ» spad"a poniÅ»ej 25 tys. Tym- noĘci i dalej kszta"tuje ewolucj´. Na- uwaÅ»ano wtedy, Å»e zdarza si´ to rzadko.
czasem genetycy zaczynali pojmowaç, ukowcy zaczynajÄ… teÅ» odkrywaç, jak Najnowsze badania nad genomem po-
Å»e to w"aĘnie jest oznakÄ… wyrafinowa- nieprawid"owe sk"adanie prowadzi do kaza"y, Å»e jest to zjawisko bardzo cz´ste
nia  Ęwiadczy bowiem, jak wszech- powstawania nowotworów i chorób i wr´cz niezb´dne. Klasyczne uj´cie prze-
stronny uŻytek nasz organizm robi z tak wrodzonych i jak moŻna ten proces wy- p"ywu informacji genetycznej od DNA
niewielkiej liczby genów. korzystaç w terapii. do bia"ek wymaga"o zatem rewizji.
Dzi´ki mechanizmowi zwanemu alter- Znaczenie alternatywnego sk"adania Wi´kszoĘç postulatów podtrzymano.
natywnym sk"adaniem (alternative spli- dla prawid"owego funkcjonowania wie- Pe"en genom zawiera wszelkie informa-
cje potrzebne do stworzenia i utrzyma-
nia organizmu przy Życiu, które są zapi-
sane w DNA jako ciÄ…g zestawiony z
PrzeglÄ…d / Z"oÅ»onoĘç ci´cia i sk"adania
czterech róŻnych nukleotydów (opisy-
n
Informacja zawarta w genie moÅ»e byç przekszta"cana przez komórk´, uzyskujÄ…c
wanych skrótowo A, C, G i T). Ludzkie
kilka róŻnych znaczeł
. Dzi´ki temu na podstawie niewielkiej liczby genów
chromosomy z"oŻone są w sumie z oko-
moÅ»e powstaç o wiele wi´cej bia"ek.
n "o 3 mld nukleotydów na kaŻdej z dwóch
Od dawna by"o wiadomo, Å»e informacyjny RNA moÅ»e byç posk"adany na kilka
sposobów. JednakÅ»e znaczenie i powszechnoĘç tego mechanizmu u organizmów wyÅ»szych komplementarnych nici DNA tworzÄ…-
oraz róŻnorodnoĘç, jakÄ… moÅ»na dzi´ki niemu osiÄ…gnÄ…ç przy zachowaniu wielkiego
cych struktur´ podwójnej helisy. Gdy
podobieł
stwa genów, doceniono dopiero po poznaniu i porównaniu genomów
trzeba odczytaç informacj´ zawartÄ… w
ludzi i innych organizmów.
okreĘlonym fragmencie DNA, nici heli-
n
Dzi´ki alternatywnemu sk"adaniu nawet ma"a liczba genów wystarczy do rozwoju
sy rozchodzÄ… si´ jak zamek b"yskawicz-
i przeŻycia bardzo skomplikowanych organizmów. MoŻliwa jest takŻe kontrola czasu
ny na tyle, by umoÅ»liwiç przekopiowa-
i miejsca produkcji róŻnych bia"ek. Byç moÅ»e nied"ugo nauczymy si´ ingerowaç
nie (transkrypcj´) sekwencji genu na
w proces alternatywnego sk"adania w celu leczenia chorób.
postaç jednoniciowego RNA, chemicznie
42 ÂWIAT NAUKI MAJ 2005
BILL STEELE (
poprzednie strony
)
JEDEN GEN, A WIELE BIA¸EK
Klasyczne rozumienie ekspresji genów by"o proste: DNA genu jest najpierw przepisywany podczas transkrypcji na czÄ…steczk´
RNA, nast´pnie maszyneria odpowiedzialna za sk"adanie RNA wycina  Ęmieciowe odcinki zwane intronami, a w koÅ‚
cu "Ä…czy
odcinki kodujÄ…ce bia"ko zwane eksonami. W wyniku tych reakcji powstaje ostateczna czÄ…steczka RNA informacyjnego (mRNA),
która ulega translacji na bia"ko. Okazuje si´ jednak, Å»e te proste regu"y nie sÄ… uniwersalne. Pierwotna czÄ…steczka RNA moÅ»e
ulegaç alternatywnemu sk"adaniu  niektóre eksony mogÄ… byç wycinane, a introny w"Ä…czane do dojrza"ego mRNA. Dzi´ki te-
mu z jednego genu powstaje zestaw róŻnych cząsteczek mRNA, a co za tym idzie, róŻne bia"ka.
DNA genu
KLASYCZNY SCHEMAT EKSPRESJI GENÓW
Sekwencja DNA jest kopiowana
na jednoniciowy RNA. Nast´pnie
maszyneria komórkowa poddaje pierwotny
transkrypt sk"adaniu. Introny, wyznaczone
Ekson Intron
przez obecnoĘç konkretnych nukleotydów
na obu krał
cach, zwanych miejscami
Transkrypcja
5 3
ci´cia 5 (pi´ç prim) i 3 (trzy prim),
sÄ… wycinane i niszczone, podczas gdy
eksony zostajÄ… po"Ä…czone w czÄ…steczk´
mRNA. Po przet"umaczeniu jej sekwencji
Pierwotny transkrypt RNA
w procesie translacji powstanie
Sk"adanie
czÄ…steczka bia"ka.
Wyci´te
introny
Informacyjny RNA
Translacja
Bia"ko
ALTERNATYWNE SK¸ADANIE
a OMINIóTY EKSON KOĄCOWY mRNA
Pierwotny transkrypt genu moÅ»e zostaç
z"oŻony na szereg róŻnych sposobów,
które przedstawiono po prawej,
gdzie obszary wycinane oznaczone sÄ…
b ALTERNATYWNE MIEJSCA CIóCIA 5
przerywanÄ… liniÄ…. Ekson czasem zostaje
omini´ty (a). MogÄ… byç rozpoznawane
alternatywne miejsca ci´cia 5 (b)
c ALTERNATYWNE MIEJSCA CIóCIA 3
lub 3 (c) intronów. Intron moÅ»e byç
zachowany w dojrza"ej czÄ…steczce mRNA
(d). Wreszcie obecnoĘç dwóch eksonów
w ostatecznym mRNA nieraz wzajemnie
d ZACHOWANY INTRON
si´ wyklucza (e).
Ekson zawsze zachowany
Ekson podlegajÄ…cy
e WZAJEMNIE WYKLUCZAJŃCE SIó EKSONY
alternatywnemu sk"adaniu
Intron
spokrewnionego z DNA, nazywanego regulacyjne w komórce [patrz: W. Wayt nazywamy translacją. Nastąpi on jed-
transkryptem pierwotnym. Gibbs  Genomowe klejnoty i Ęmieci ; nak dopiero po obróbce pierwotnego
KaÅ»dy fragment DNA, który jest w ten Âwiat Nauki, grudzieÅ‚
2003]. Wi´kszoĘç transkryptu RNA.
sposób przepisywany na czÄ…steczk´ z nich zaĘ, która koduje bia"ka, zostanie W 1977 roku Phillip A. Sharp z Mas-
RNA, nazywamy genem. Niektóre z po- odczytana i przet"umaczona na odpo- sachusetts Institute of Technology oraz
wsta"ych cząsteczek RNA nie kodują bia- wiadające im sekwencje aminokwasów. Richard J. Roberts pracujący w firmie
"ek, pe"nią natomiast kluczowe funkcje Proces ten, zachodzący w rybosomach, New England Biolabs odkryli, Że nowo
MAJ 2005 ÂWIAT NAUKI 43
LUCY READING-IKKANDA
W roku 1980 Randolph Wall z Uni-
versity of California w Los Angeles
MASZYNERIA SK¸ADAJŃCA
udowodni", Że wizja prostego sk"ada-
nia, w którym wszystkie introny są wy-
Struktura zwana splajsosomem przeprowadza reakcj´ ci´cia i sk"adania pierwotnej
cinane, a wszystkie eksony w"Ä…czane do
cząsteczki RNA przepisanej z sekwencji genu. W organizmach wyŻszych proces ten
czÄ…steczki mRNA, nie zawsze jest praw-
kontrolują bia"ka regulujące sk"adanie (SR), które wyznaczają po"oŻenie eksonów
dziwa. Okazuje si´, Å»e system komór-
oraz kierujÄ… splajsosom do odpowiednich miejsc ci´cia. Zatem te czÄ…steczki okreĘla-
kowy moÅ»e zdecydowaç o wyci´ciu
jÄ…, gdzie i kiedy ma zajĘç alternatywne sk"adanie. RóŻne formy bia"ek SR produko-
jakiegoĘ eksonu lub pozostawieniu in-
wane są w róŻnych tkankach i typach komórek podczas róŻnych etapów rozwoju.
tronu w dojrza"ej czÄ…steczce mRNA.
Ta umiej´tnoĘç alternatywnego sk"ada-
CiÄ…g pirymidyn
nia cząsteczek pre-mRNA moŻe w istot-
Miejsce rozga"´zienia
ny sposób zwi´kszyç wielofunkcyjnoĘç
Miejsce
WYZNACZENIE EKSONÓW
genu. Dzi´ki temu od przebiegu sk"a-
ci´cia 3
Bia"ka SR wiąŻą si´ z konkretnÄ…
dania zaleŻy, ile bia"ka konkretnego
sekwencjÄ… nukleotydowÄ… zwanÄ…
rodzaju powstanie w porównaniu z in-
eksonowym wzmacniaczem
SR SR Miejsce SR
nymi moŻliwymi bia"kami kodowany-
sk"adania (ESE) w kaŻdym
ESE
ci´cia 5
mi przez ten sam gen.
eksonie pierwotnej czÄ…steczki
W 1984 roku Tom Maniatis, Michael
RNA. Przy"Ä…czenie bia"ka SR
Intron
Ekson
wyznacza po"oŻenie eksonu Green i ich wspó"pracownicy z Harvard
U2 U1 U2 U1 U2 U1
i pozwala na zwiÄ…zanie si´
University opracowali prostÄ… procedu-
ma"ych jÄ…drowych RNA (snRNA)
r´ laboratoryjnÄ… s"uŻącÄ… do poznania
snRNA
U1 i U2 do miejsc ci´cia
molekularnej maszynerii wycinajÄ…cej
w intronie sÄ…siadujÄ…cym
introny i sklejajÄ…cej ze sobÄ… eksony.
z danym ESE.
Szczegó"y jej dzia"ania i regulacji nie
zosta"y jeszcze w pe"ni poznane, ale do-
Intron
tychczasowe badania pozwoli"y juÅ» na-
UFORMOWANIE SPLAJSOSOMU
Gdy pierwsze snRNA po"Ä…czÄ… si´ ukowcom zrozumieç, Å»e jest to wyrafi-
SR SR SR
U5
z miejscami ci´cia w intronie, U5
nowany mechanizm o intrygujÄ…cym
U1 U2
U1 U2
wiąŻą si´ z innymi snRNA
pochodzeniu.
U6 U4
U6 U4 Splajsosom
oraz z ponad setkÄ… bia"ek.
Kompleks ten, zwany
NoŻyczki i klej
splajsosomem, wycina introny
Bia"ka Z¸OÅ»ONE ORGANIZMY majÄ… dwa odr´bne
i "Ä…czy eksony, dzi´ki czemu
mechanizmy zaangaŻowane w sk"ada-
powstaje czÄ…steczka dojrza"ego
nie pierwotnych transkryptów mRNA
mRNA.
(pre-mRNA). Tak zwana maszyneria
mRNA
podstawowa wyst´pujÄ…ca u wszystkich
organizmów, których geny zawierają in-
ESS
trony, jest silnie chroniona ewolucyjnie
HAMOWANIE SK¸ADANIA
i u cz"owieka wyglÄ…da podobnie jak u
Bia"ko SR moÅ»e takÅ»e utrudniaç
wiÄ…zanie si´ snRNA, droÅ»dÅ»y. Sk"ada si´ z pi´ciu typów ma-
SR SR SR
gdy po"Ä…czy si´ z sekwencjÄ…
Ekson 2 Ekson 3 "ych jÄ…drowych RNA (snRNA), zwanych
Ekson 1
zwanÄ… eksonowym
U2 U1 U2 U1 U1, U2, U4, U5 i U6. CzÄ…steczki te mo-
supresorem sk"adania (ESS).
U2 U1 gÄ… si´ "Ä…czyç aÅ» ze 150 bia"kami, two-
W ten sposób moÅ»e doprowadziç
rzÄ…c kompleks zwany splajsosomem,
do wyci´cia eksonu z ostatecznej
Wyci´cie który rozpoznaje poczÄ…tki i koÅ‚
ce intro-
czÄ…steczki mRNA. Pomijanie
nów, wycina je z cząsteczki pre-mRNA
eksonów jest najcz´stszÄ…
i "Ä…czy eksony w dojrza"y mRNA.
formÄ… alternatywnego sk"adania Ekson 1 Ekson 3
Cztery krótkie sekwencje nukleotydo-
u ludzi i innych ssaków.
mRNA
we s"uŻą jako znaczniki miejsc, w któ-
rych splajsosom ma przeciÄ…ç czÄ…stecz-
k´ RNA [ramka obok]. Jedna z tych
powstajÄ…ce transkrypty RNA sÄ… podob- daniem (splicing), polega w"aĘnie na sekwencji znajduje si´ na poczÄ…tku intro-
ne do ksiÄ…Å»ek z wieloma nieistotnymi wyci´ciu intronów z pierwotnego trans- nu i nazywa si´ miejscem ci´cia 5 (pi´ç
rozdzia"ami wstawionymi w róŻnych kryptu. Fragmenty RNA zawierajÄ…ce prim); pozosta"e znajdujÄ… si´ na koÅ‚
cu
miejscach tekstu. Aby czÄ…steczka RNA sekwencje kodujÄ…ce bia"ko, zwane intronu i zwane sÄ… miejscem rozga"´-
sta"a si´ sk"adnÄ…  opowieĘciÄ… , te nie- eksonami, sÄ… nast´pnie "Ä…czone. W ten zienia, traktem polipirymidynowym i
potrzebne rozdzia"y, zwane intronami, sposób powstaje ostateczna wersja trans- miejscem ci´cia 3 .
trzeba wyciÄ…ç, a pozosta"e  po"Ä…czyç. kryptu, zwana RNA informacyjnym Osobny mechanizm kontroluje kiero-
Proces wycinania i "Ä…czenia, zwany sk"a- (mRNA) [ramka na stronie 43]. wanie maszynerii podstawowej do
44 ÂWIAT NAUKI MAJ 2005
LUCY READING-IKKANDA
miejsc ci´cia. Dotychczas wyodr´bnio-
no juÅ» 10 bia"ek regulatorowych sk"a-
dania (SR  splicing regulatory), które
mogÄ… przybieraç róŻne formy w róŻnych
tkankach, a nawet na róŻnych etapach
rozwoju tej samej tkanki. Bia"ka SR wiÄ…-
Żą krótkie sekwencje nukleotydowe w Pomini´cie nawet pojedynczego eksonu
eksonach pre-mRNA. Sekwencje te zna-
ne sÄ… jako eksonowe wzmacniacze sk"a- moÅ»e mieç dramatyczne skutki dla organizmu.
dania (ESE  exonic splicing enhancers),
poniewaÅ» wiÄ…zanie ich przez bia"ko SR
powoduje doprowadzenie snRNA splaj-
sosomu do miejsc ci´cia na kaÅ»dym z sk"adanie mRNA opiera si´ na rozpo- degradacj´. Ponadto system sk"adania
koł
ców eksonu. Bia"ko SR moÅ»e rów- znaniu sekwencji intronowych. Nato- moÅ»e byç Ä™ród"em powaÅ»nych b"´dów.
nieÅ» zwiÄ…zaç si´ z eksonowym supreso- miast organizmy wyÅ»sze majÄ… bia"ka KaÅ»de nieprawid"owe ci´cie i z"oÅ»enie
rem sk"adania (ESS  exonic splicing SR, które wiąŻą si´ z eksonami. czÄ…steczki pre-mRNA prowadzi do zmia-
supressor) i uniemoÅ»liwiç wiÄ…zanie si´ W organizmach jednokomórkowych ny w sekwencji kodujÄ…cej bia"ko, a w
maszynerii podstawowej z koł
cami te- maszyneria sk"adajÄ…ca mRNA rozpo- konsekwencji do syntezy wadliwego pro-
go eksonu, powodując jego wy"ączenie znaje jedynie sekwencje intronowe krót- duktu bia"kowego.
z dojrza"ego mRNA. sze niŻ 500 nukleotydów. Strategia ta Jednym z przyk"adów tego zjawiska
Pomini´cie jednego eksonu podczas sprawdza si´ dobrze w przypadku droÅ»- jest choroba, której dotyczÄ… moje ba-
sk"adania moÅ»e mieç dramatyczne skut- dÅ»y, których geny majÄ… niewiele intro- dania naukowe  dysautonomia rodzin-
ki. Alternatywne sk"adanie jest na przy- nów o przeci´tnej d"ugoĘci 270 nukle- na. Powstaje ona na skutek mutacji
k"ad mechanizmem odpowiedzialnym otydów. JednakŻe w trakcie ewolucji jednego nukleotydu w genie IKBKAP,
za determinacj´ p"ci muszki owocowej. ros"y zarówno ca"e genomy, jak i d"u- co powoduje zmian´ sk"adania jego
Przy obróbce transkryptu genu Sex-le- goĘç i liczba intronów, przez co maszy- mRNA w tkankach uk"adu nerwowe-
thal moÅ»e nastÄ…piç pomini´cie eksonu neria sk"adajÄ…ca zmuszona zosta"a do go. Powsta"y w ten sposób mRNA kodu-
specyficznego dla osobników m´skich, zasadniczej zmiany sposobu dzia"ania: je niepe"nowartoĘciowe bia"ko, co z ko-
co prowadzi do syntezy bia"ka specy- od identyfikacji krótkich sekwencji in- lei prowadzi do nieprawid"owego
ficznego dla samic. Bia"ko to nast´pnie tronowych wĘród eksonów przesz"a do rozwoju uk"adu nerwowego. Po"owa
wiÄ…Å»e wszystkie transkrypty pre-mRNA rozpoznawania krótkich eksonów w mo- chorych na dysautonomi´ rodzinnÄ…
w"asnego genu dzi´ki czemu  m´ski rzu intronów. Ârednia d"ugoĘç ludzkie- umiera przed 30 rokiem Å»ycia. Szacuje
ekson b´dzie nadal wycinany z mRNA go genu kodujÄ…cego bia"ko to 28 tys. nu- si´, Å»e co najmniej 15% mutacji wywo-
i produkowane b´dzie tylko bia"ko wy- kleotydów, na co sk"ada si´ przeci´tnie "ujÄ…cych choroby genetyczne (a takÅ»e
st´pujÄ…ce u samic. JeÅ»eli podczas sk"a- 8.8 eksonu rozdzielonego przez 7.8 in- najprawdopodobniej niektóre nowotwo-
dania pierwszego pierwotnego trans- tronu. Sekwencje eksonowe sÄ… doĘç ry) wp"ywa na alternatywne sk"adanie.
kryptu Sex-lethal  m´ski ekson zostanie krótkie, zwykle oko"o 120 nukleotydów. Dlaczego wi´c u organizmów wyÅ»szych
zachowany, powstanie niefunkcjonalny Natomiast introny mogÄ… mieç d"ugoĘç wyewoluowa" tak skomplikowany sys-
mRNA, na bazie którego nie moÅ»na od 100 nukleotydów do 100 tys. tem, który w dodatku moÅ»e prowadziç
wyprodukowaç bia"ka. W efekcie za- do rozwoju chorób? Byç moÅ»e dlatego,
rodek muszki rozwinie si´ w osobnika Zbytek czy poÅ»ytek Å»e korzyĘci z jego istnienia przewaÅ»ajÄ…
m´skiego. WIELKOÂå I LICZBA intronów w ludzkich nad stratami.
Pomijanie eksonów to najcz´Ä˜ciej spo- genach  mamy ich wi´cej na gen niÅ» MoÅ»liwoĘç wyprodukowania dwóch
tykany u ssaków typ alternatywnego jakikolwiek inny organizm  stanowi za- lub wi´cej rodzajów czÄ…steczek mRNA,
sk"adania, ale opisano juÅ» kilka innych, gadk´. PrzecieÅ» tak d"ugie i liczne in- a co za tym idzie  wi´kszej liczby bia-
w tym zachowanie sekwencji introno- trony sÄ… doĘç duÅ»ym obciÄ…Å»eniem dla "ek na bazie jednego genu pozwala ludz-
wych w dojrza"ej czÄ…steczce mRNA, ty- naszego organizmu. Znaczna cz´Ä˜ç kiemu organizmowi na wytworzenie
powe dla roĘlin i niŻszych organizmów dziennego wydatku energii przeznacza- 90 tys. bia"ek bez koniecznoĘci utrzy-
wielokomórkowych. Prawdopodobnie na jest na utrzymanie i napraw´ ich se- mywania w genomie tylu genów. Prze-
ten typ sk"adania powsta" najwczeĘniej kwencji w genomowym DNA, transkryp- ci´tnie transkrypcja kaÅ»dego naszego
w ewolucji. Do dziĘ w organizmach jed- cj´ na pre-mRNA, a nast´pnie usuwanie genu daje trzy alternatywne mRNA.
nokomórkowych, takich jak droŻdŻe, podczas sk"adania mRNA i ostatecznie Lecz nawet ta statystyka nie t"umaczy
faktu istnienia tak duŻej liczby intronów
zajmujÄ…cych znacznÄ… cz´Ä˜ç genomu
GIL AST jest starszym wyk"adowcÄ… na Wydziale Genetyki Cz"owieka i Medycyny Molekular-
 sekwencje eksonowe stanowiÄ… zaled-
nej w Szkole Medycznej Uniwersytetu w Tel Awiwie w Izraelu. Jego badania naukowe kon-
wie 1 2% jego d"ugoĘci.
centrujÄ… si´ wokó" mechanizmów molekularnych sk"adania pre-mRNA, ewolucji i regulacji al-
Publikacja w 2001 roku takiej pozor-
ternatywnego sk"adania oraz niesprawnego sk"adania zwiÄ…zanego z nowotworami i choro-
nie  pustej mapy genomu ludzkiego wy-
bami dziedzicznymi. W ostatnich czasach wspó"pracowa" z naukowcami z firmy Compugen
wo"a"a zdziwienie, które pog"´bi"o si´,
nad systemem bioinformatycznym, który pozwoli"by przewidywaç przebieg alternatywnego
sk"adania w celu wykrycia nieznanych bia"ek. gdy rok póęniej og"oszono sekwencj´
MAJ 2005 ÂWIAT NAUKI 45
O AUTORZE
znajduje si´ oko"o 1.4 mln kopii sekwen-
cji Alu. Wiele z nich nadal si´ powiela i
wstawia w nowe miejsca w genomie z
cz´stoĘciÄ… raz na 100 200 urodzeÅ‚
.
Wygrzebane ze Ęmietnika
PRZEZ D¸UGIE LATA uznawano sekwencje
Alu za tzw. Ęmieciowy DNA. Naukowcy
nabrali do nich szacunku, gdy stwierdzi-
li, Å»e wstawianie si´ tych elementów w
genom zwi´ksza róŻnorodnoĘç bia"ek,
które moÅ»na wyprodukowaç na podsta-
wie sekwencji jednego genu. Oko"o 5%
alternatywnie sk"adanych eksonów w
ludzkim genomie zawiera element Alu.
Powstawa"y one najpewniej poprzez
wstawianie tych elementów w obr´b in-
tronów. Zazwyczaj pozostawa"o to bez
znaczenia dla funkcjonowania organiz-
mu, poniewaÅ» wi´kszoĘç intronów jest
i tak wycinana z pre-mRNA i degrado-
wana. MoÅ»e si´ jednak zdarzyç, Å»e wsta-
wiony element Alu przekszta"ci cz´Ä˜ç in-
GENOMY SZYMPANSÓW I LUDZI sÄ… do siebie podobne w 99%, wliczajÄ…c w to ruchome elemen- tronu w nowy ekson. Dzieje si´ tak wtedy,
ty genetyczne, zwane sekwencjami Alu, które wyst´pujÄ… wy"Ä…cznie u naczelnych. Sekwencje Alu
gdy w sekwencji Alu dojdzie do mutacji
sÄ… odpowiedzialne za powstawanie nowych bia"ek na drodze alternatywnego sk"adania RNA, co
prowadzÄ…cej do powstania miejsca sk"a-
prawdopodobnie doprowadzi"o do oddzielenia si´ naczelnych od innych ssaków. MoÅ»liwe, Å»e po-
dania 5 lub 3 . (Tego typu mutacje zwy-
wstanie gatunku ludzkiego zawdzi´czamy równieÅ» alternatywnemu sk"adaniu: najnowsze bada-
nia pokazują, Że produktami prawie identycznych genów u ludzi i u szympansów są we wszyst- kle powstają podczas podzia"ów komór-
kich tkankach w zasadzie te same bia"ka, z wyjątkiem obszarów mózgu, w których jedne geny
kowych, kiedy genom jest powielany i
ludzkie sÄ… bardziej aktywne, a inne, na skutek alternatywnego sk"adania RNA, kodujÄ… bia"ka
moÅ»e dojĘç do pomy"ki, swoistej literów-
znacznie róŻniÄ…ce si´ od szympansich.
ki, przy przepisywaniu sekwencji DNA).
Wtedy cz´Ä˜ç intronu b´dzie przez bia"ka
genomu mysiego. Okaza"o si´, Å»e mysz powstawania takiego eksonu, moÅ»emy splajsosomu traktowana jako ekson.
ma prawie tyle samo genów co cz"o- uzmys"owiç sobie ogólne poÅ»ytki p"ynÄ…- JeĘli nowy ekson z elementem Alu jest
wiek. Choç nasz wspólny przodek Å»y" aÅ» ce z istnienia intronów, a tym samym w"Ä…czany do dojrza"ego mRNA alterna-
100 mln lat temu, zdecydowana wi´k- uzasadniç sens ponoszenia kosztów ich tywnie (warunkowo), stanowi to dla or-
szoĘç ludzkich i mysich genów wywo- utrzymania. ganizmu czysty zysk. Gdy ekson Alu zo-
dzi si´ w"aĘnie od niego, a nawet zacho- Eksony charakterystyczne dla naczel- stanie w"Ä…czony do dojrza"ego mRNA,
wuje uk"ad intronów i eksonów oraz, w nych pochodzą z ruchomych elemen- jego translacja da nowe bia"ko. Nato-
duÅ»ym stopniu, sekwencj´ nukleotydo- tów genetycznych zwanych sekwencja- miast w Å»aden sposób nie zaburza to
wÄ… eksonów. mi Alu, które naleŻą do wi´kszej klasy pierwotnej funkcji genu, poniewaÅ» ory-
sekwencji zwanych retrotranspozona- ginalny mRNA równieŻ powstaje, gdy
Ruchliwe eksony naczelnych mi. Retrotranspozony to krótkie sekwen- ekson Alu jest usuwany z pre-mRNA.
SKORO RÓÚNICA pomi´dzy ludzkim a my- cje DNA, których funkcjÄ… jest powielanie ObecnoĘç eksonu Alu staje si´ k"opotli-
sim genomem jest tak znikoma, co spra- samych siebie i wstawianie nowych ko- wa jedynie w przypadku, gdy jest on za-
wia, Że jesteĘmy od gryzoni tak inni? pii w przypadkowe miejsca w genomie wsze w"ączany do mRNA. Taka sytuacja
Christopher J. Lee i Barmak Modrek z na podobieł
stwo ma"ych genomowych grozi rozwojem zaburzeł
wynikajÄ…cych
University of California w Los Angeles pasoŻytów. Retrotranspozony znajdują z braku oryginalnego bia"ka. Dotych-
ostatnio wykazali, Å»e Ęrednio co czwar- si´ w genomach prawie wszystkich or- czas opisano trzy choroby genetyczne
ty alternatywnie sk"adany ekson jest ganizmów i odegra"y bardzo waŻną ro- wywo"ane niew"aĘciwie wstawionymi
specyficzny albo dla myszy, albo dla l´ ewolucyjnÄ…, przyczyniajÄ…c si´ do eks- sekwencjami Alu: zespó" Alporta, zespó"
cz"owieka. Takie eksony mogÄ… byç od- pansji genomów podczas powstawania Slya oraz niedobór OAT.
powiedzialne za powstawanie bia"ek organizmów wielokomórkowych. Nie- Wraz z moimi wspó"pracownikami
charakterystycznych dla danego gatun- mal po"owa ludzkiego genomu sk"ada wykazaliĘmy, Że do przemiany utajonej
ku i zróŻnicowanie pomi´dzy gatunka- si´ z elementów ruchomych, z których intronowej sekwencji Alu w prawdziwy
mi. Okazuje si´ nawet, Å»e jeden typ ekso- sekwencje Alu sÄ… najliczniejsze. ekson wystarczy jedynie zmiana jedne-
nów wyst´puje tylko u naczelnych (lu- Alu mierzÄ… zaledwie 300 nukleoty- go nukleotydu w sekwencji DNA. Obec-
dzi i ma"p), a jego pojawienie si´ mog"o dów, a ich charakterystyczna sekwen- nie w genomie ludzkim oko"o 500 tys.
przyczyniç si´ do oddzielenia si´ tej gru- cja zakoÅ‚
czona jest ciÄ…giem nukleoty- sekwencji Alu leÅ»y w obr´bie intronów,
py od reszty ssaków. Poznając proces dów A (poli(A)). W naszym genomie a 25 tys. z nich mog"oby na drodze jed-
46 ÂWIAT NAUKI MAJ 2005
MIKEL ROBERTS
Corbis Sygma
nonukleotydowej mutacji przemieniç si´
w eksony. Sekwencje Alu kryjÄ… zatem
ogromne moŻliwoĘci wzbogacania puli
informacji genetycznej s"uŻącej do pro-
dukcji ludzkich bia"ek.
Ponad 400 laboratoriów i 3 tys. nau-
kowców na Ęwiecie pracuje nad zrozu- Dlaczego ewolucja chroni"a skomplikowany
mieniem skomplikowanych reakcji za-
chodzÄ…cych podczas alternatywnego mechanizm, który moÅ»e powodowaç choroby?
sk"adania. Choç badania te nie sÄ… jesz-
cze zaawansowane, uczeni sÄ… zgodni,
Że ostatnie odkrycia wskazują na moŻ-
liwoĘci zastosował
terapeutycznych, na Adrian Krainer i Luca Cartegni z Cold sta" t´ technik´ na komórkach w hodow-
przyk"ad opracowania metod terapii ge- Spring Harbor Laboratory w stanie No- li do cz´Ä˜ciowej naprawy pre-mRNA ge-
nowej wykorzystujących alternatywne wy Jork opracowali w 2003 roku inny nu, którego mutacje odpowiadają za roz-
sk"adanie w leczeniu zarówno chorób sposób wykorzystania alternatywnego wój mukowiscydozy.
wrodzonych, jak i nabytych, zw"aszcza sk"adania w celach terapeutycznych. Po- Przed ukoł
czeniem projektu sekwen-
nowotworów. lega on na zmuszeniu komórki, by w"ą- cjonowania ludzkiego genomu niewielu
czy"a do mRNA ekson zwykle pomijany naukowców uwaŻa"o, Że istota tak z"o-
Leczenie sk"adaniem przy sk"adaniu. W tym celu stworzyli syn- Å»ona jak cz"owiek moÅ»e mieç zaledwie
ZASTOSOWANIE krótkich syntetycznych czÄ…- tetycznÄ… czÄ…steczk´, która jednÄ… cz´Ä˜ciÄ… 25 tys. genów. Jednak od czasu opubli-
steczek RNA lub DNA, zwanych antysen- rozpoznaje konkretnÄ… sekwencj´ RNA, a kowania ostatecznej wersji genomu zro-
sownymi oligonukleotydami, do wiÄ…zania drugÄ… "Ä…czy si´ z bia"kami SR. Taka chi- zumiano, Å»e dzi´ki alternatywnemu sk"a-
z konkretnymi sekwencjami DNA lub mera molekularna moÅ»e wiÄ…zaç si´ z do- daniu na bazie niewielkiej liczby genów
RNA chorego jest jednÄ… z moÅ»liwych wolnie wybranÄ… przez badaczy sekwen- moÅ»na wyprodukowaç o wiele liczniej-
terapii. Takie oligonukleotydy po wpro- cjÄ… pre-mRNA i za poĘrednictwem bia"ek szy zestaw bia"ek i zyskaç kontrol´ nad
wadzeniu do komórki maskowa"yby miej- SR wskazaç podstawowej maszynerii ich pojawianiem si´ w odpowiednim
sce ci´cia RNA lub innÄ… sekwencj´ sk"adajÄ…cej miejsce ci´cia RNA. Krainer miejscu i czasie w róŻnych tkankach.
regulatorowÄ…, powodujÄ…c, Å»e ci´cie i sk"a- i Cartegni naprawili tÄ… metodÄ… w hodo- Istnienie alternatywnego sk"adania wy-
danie nastąpi w innym regionie. wanych w laboratorium komórkach sk"a- jaĘnia teŻ, jak na bazie podobnych ge-
Ryszard Kole z University of North danie zmutowanego genu BRCA1, który nomów powstają organizmy tak róŻne
Carolina w Chapel Hill pierwszy sku- odgrywa rol´ w rozwoju raka sutka, oraz jak cz"owiek i mysz.
tecznie zastosowa" t´ koncepcj´ na pre- genu SMN2, odpowiedzialnego za rdze- Dzia"anie ewolucji polega na przy-
kursorach komórek krwiotwórczych po- niowy zanik mi´Ä˜ni. padkowym zmienianiu cech organiz-
branych od chorych na dziedzicznÄ… Inny pomys" na terapi´ wykorzystuje mów, a nast´pnie wybieraniu tych, któ-
beta-talasemi´, w której nieprawid"owe zdolnoĘç splajsosomu do "Ä…czenia ze so- re dzi´ki zmianom uzyska"y przewag´
miejsce ci´cia 5 powoduje tworzenie bÄ… dwóch róŻnych czÄ…steczek pre-mRNA. nad resztÄ…. Dlatego teÅ» powstawanie no-
zdeformowanych czÄ…steczek hemoglo- Reakcja ta, zwana sk"adaniem w trans wych bia"ek w wyniku w"Ä…czania do
biny, odpowiadajÄ…cej za transport tle- (trans-splicing), wyst´puje cz´sto u nicie- mRNA eksonów pochodzÄ…cych z se-
nu. Kole, blokujÄ…c nieprawid"owe miej- ni, ale stosunkowo rzadko w komórkach kwencji Alu musia"o odegraç istotnÄ… ro-
sce ci´cia, wymusi" wykorzystanie przez ludzkich. Wymuszenie sk"adania w trans l´ w kszta"towaniu gatunku ludzkiego.
splajsosom miejsca typowego, dzi´ki mog"oby pozwoliç na zastÄ…pienie zmuto- Ale nie wszystkie zmiany sk"adania sÄ…
czemu sk"adanie mRNA przebieg"o pra- wanej cz´Ä˜ci genu przez sekwencj´ prawi- korzystne. Dzi´ki dalszym badaniom
wid"owo i przywrócona zosta"a produk- d"owÄ…, pochodzÄ…cÄ… z transkrypcji drugie- moÅ»emy nauczyç si´ naprawiaç szkody
cja normalnie dzia"ajÄ…cej hemoglobiny. go, prawid"owego allelu. John Engelhardt wyrzÄ…dzane przez ten proces i popra-
n
Kole pokaza" równieÅ», Å»e t´ samÄ… z University of Iowa niedawno wykorzy- wiç jakoĘç naszego Å»ycia.
technik´ moÅ»na zastosowaç na ludzkich
komórkach nowotworowych utrzymy-
JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WIóCEJ
wanych w hodowli laboratoryjnej. Za-
Ukryty program genetyczny. John S. Mattick; Âwiat Nauki, 11/2004.
s"oni´cie miejsca ci´cia 5 w pre-mRNA
How Did Alternative Splicing Evolve? Gil Ast; Nature Reviews Genetics, tom 5 nr 10 s. 773-782,
genu Bcl-x regulujÄ…cego apoptoz´ spo-
X/2004
wodowa"o sk"adanie g"ównie formy Differential Alu Mobilization and Polymorphism Among the Human and Chimpanzee Lineages.
Dale J. Hedges i in.; Genome Research, tom 14, nr 6, s.1068-1075, I/2004.
Bcl-x(S) mRNA zamiast formy Bcl-x(L).
http://www.genome.org/cgi/content/full/14/6/1068
Dzi´ki temu spad"a produkcja bia"ka ha-
Pre-mRNA Splicing and Human Disease. N. A. Faustino i T. A. Cooper; Genes and Development,
tom 17, nr 4, s. 419-437, 15 II 2003. http://www.genesdev.org/cgi/content/full/17/4/419
mujÄ…cego apoptoz´, a wzros"a synteza
Signals and Their Transduction Pathways Regulating Alternative Splicing: a New Dimension of the
bia"ka proapoptotycznego. W niektórych
Human Genome. Stefan Stamm; Human Molecular Genetics, tom 11, nr 20, s. 2409-2416,
komórkach nowotworowych powoduje
1 X 2002. http://hmg.oupjournals.org/cgi/content/full/11/20/2409
Mammalian Retroelements. Prescott L. Deininger i Mark A. Batzer; Genome Research, tom 12,
to aktywacj´ programu apoptozy; w in-
nr 10, s. 1455-1465, X/2002. http://www.genome.org/cgi/content/full/12/10/1455
nych wzmaga dzia"anie podawanych
Alternative pre-mRNA Splicing and Proteome Expansion in Metazoans. T. Maniatis i B. Tasic;
równoczeĘnie chemioterapeutyków. Nature, tom 418, nr 6894, s.236-243, 11 VII 2002.
MAJ 2005 ÂWIAT NAUKI 47