Редакторы фильмов играют решающую роль, помогая преобразовать необработанные кадры в повествование. Отчасти проблема заключается в том, что их работа может оказать глубокое влияние на готовый продукт – всего несколько сокращений в неправильных местах комедия может стать трагедией или наоборот.
Аналогичный процесс, "альтернативное сращивание," работает в телах миллиардов существ, включая людей. Подобно тому, как редактор фильма может изменить историю с помощью нескольких сокращений, альтернативный сплайсинг позволяет клеткам сшивать генетическую информацию в различные образования, позволяя одному гену производить до тысяч различных белков.
Ученые из Гарварда говорят, что теперь они смогли наблюдать этот процесс в нервной системе живого существа.
Использование генетических инструментов для имплантации генов, производящих флуоресцентные белки, в ДНК прозрачного C. elegans worms, Джон Каларко, научный сотрудник Центра системной биологии факультета искусств и наук, и доктор наук Адам Норрис смогли собрать убедительные доказательства того, что альтернативный процесс сплайсинга часто работает по-разному в разных типах нейронов.Исследование было описано в недавней статье в Molecular Cell.
"Сплайсинг – это важный процесс регуляции генов, который постоянно происходит в большинстве эукариотических клеток," Каларко сказал. "Это фундаментальная часть того, как гены эукариот производят белки, но когда что-то идет не так, это может привести к любому количеству заболеваний, в том числе в нервной системе."
По словам Каларко, на первый взгляд, процесс сварки относительно прост. Для производства определенного белка ДНК сначала транскрибируется в информационную РНК (мРНК). Но хотя эта транскрипция содержит инструкции по кодированию белка, она также содержит некодирующие сегменты. После удаления этих сегментов оставшаяся генетическая информация должна быть снова сшита вместе с различными комбинациями, производящими разные белки.
Наука давно поняла, как обычно работает этот процесс. Остался один вопрос: часто ли близкородственные типы клеток используют этот процесс для производства разных белков из одних и тех же генетических строительных блоков?.
"Нам было интересно посмотреть, как сплайсинг может отличаться в одном типе нейрона от другого типа нейрона," сказал Норрис. "Мы не знали, часто ли это будет правдой, поэтому мы искали индикаторы того, что это может происходить."
То, что они обнаружили, было ясно: разные клетки по-разному сплавляют одни и те же гены. Процесс можно визуализировать в реальном времени с помощью подхода на основе флуоресцентных белков.
"Что нам удалось сделать, так это визуализировать альтернативный процесс сплайсинга у этих животных в отдельных нейронах," он сказал. "Мы разработали флуоресцентные белки таким образом, чтобы они могли указывать на то, как РНК подвергается дифференциальному сплайсингу. Если присутствует определенный кодирующий сегмент, белок будет светиться красным, а если его удалить, он будет светиться зеленым."
Когда Каларко и Норрис использовали флуоресцентный белок для нацеливания на два типа мотонейронов у червей, они сразу увидели характерный флуоресцентный паттерн, означающий, что два класса нейронов сплайсировали мРНК по-разному.
В дополнительных экспериментах, нацеленных на другие гены, Каларко и Норрис смогли идентифицировать уникальные паттерны сплайсинга, предполагая, что этот процесс отличается не только для разных типов нейронов, но и для разных генов.
"Это говорит о том, что этот процесс происходит довольно часто и очень сложен даже у животного – например, C. elegans – всего 302 нейрона," Каларко сказал. "Вот почему мы считаем, что это потенциально может сильно повлиять на понимание нашей собственной нервной системы, которая намного сложнее."
По словам Каларко, лучше понимая, как процесс сплайсинга работает в разных нейронах, ученые могут раскрыть понимание того, как он может идти наперекосяк и приводить к таким расстройствам, как эпилепсия.
В конечном счете, альтернативный сплайсинг, по-видимому, играет решающую роль в развитии более сложных организмов без необходимости во все более крупных геномах.
"В геноме ограниченное количество генов, и изменение того, какой из них включается или выключается, дает вам определенный уровень сложности," Каларко сказал. "Альтернативный сплайсинг добавляет еще один уровень сложности, позволяя организму еще больше разнообразить тип клеток – мы думаем, что это в значительной степени способствует способности организма разнообразить свои клеточные функции и клеточную архитектуру."
"Мы знаем, что нервная система человека очень сложна," сказал Норрис. "Я думаю, это одно из объяснений того, как кодируется эта сложность. У нас порядка миллиардов нейронов, но у нас всего порядка тысячи генов. Как создать сложную сеть из миллиардов нейронов с разной емкостью для каждой клетки? Это дает нам одно объяснение того, как организм может это сделать."