Эволюция приматов ускоряется за счет альтернативного сплайсинга (свобода воли, свобода выбора)

27 декабря 2012 - joo a
article95.jpg

     Известно, что у человека гигантское разнообразие белков достигается не путем увеличения числа белок-кодирующих генов, а за счет альтернативного сплайсинга — комбинирования разных участков одного и того же гена. Большая интернациональная группа ученых сравнила разнообразие и частоту сплайсинговых вариантов у представителей разных эволюционных линий позвоночных. Они обнаружили, что у всех приматов, а не только у человека, частота сплайсинга примерно в полтора-два раза выше, чем у мыши и других четвероногих. Какую бы ткань мы ни взяли, разнообразие альтернативных вариантов сплайсинга у приматов будет выше, чем у мыши, а у мыши будет выше, чем у лягушки. То есть особенности картины сплайсинга определяются не типом ткани, а биологическим видом. Накопление вариантов сплайсинга идет быстрее, чем изменение белок-кодирующих генов, во всех видах тканей, хотя соотношение скоростей того и другого процесса неоднородно для разных типов тканей. Эти закономерности существенно продвигают исследования новой темы: формообразование и эволюция путем альтернативного сплайсинга.

 Альтернативный сплайсинг — устрашающий термин, обозначающий довольно простое и важное биологическое явление. Его суть состоит в том, что считанная с ДНК последовательность РНК в ходе последующей обработки — созревания — может быть по-разному реорганизована. Сырая, незрелая РНК, или РНК-транскрипт, состоит из экзонов и интронов — смысловых и бессмысленных частей. В ходе созревания РНК интроны вырезаются, а экзоны — смысловые части — сшиваются, и получается зрелая матричная РНК определенного белка. Этот процесс называется сплайсингом. Однако есть тут одна хитрость. Сшиваться могут не все экзоны, и в разных условиях разные экзоны отбрасываются вместе с интронами. В результате этой сшивки получаются разные варианты, или изоформы, того или иного белка, а весь процесс носит название альтернативного сплайсинга. Таким образом, из одного гена может быть в конечном итоге получено несколько разных белков.

    Отталкиваясь от гипотезы изложенной в статье "ДНК внешний и внутренний подход", можно сравнить свое собственное мышление и процесс созревания РНК. Процесс изучения новой информации всегда сопряжен с мысленной визуализацией (от образов объектов до образов понятий в виде символов и образов соотношений в виде формул или векторных схем). В этом  может убедиться каждый проведя наблюдения за собственным усвоением информации (неслучайно у многих людей новая информация и прием пищи связаны). 

Альтернативный сплайсинг  это процесс мышления или анализа информации. Отбрасывание интронов и сшивание экзонов имеет эквивалент в народном языке: "Отделить зерна от плевел" и "Мухи отдельно, котлеты отдельно".

Так же в связи с вышеизложенным об отбрасывании экзонов вместе интронами можно заострить внимание на то что одна и та же информация, полученная из разных источников, воспринимается человеком (не только человеком, животные так же демонстрируют память на негативные источники информации) по разному: Например сообщение от надежного и проверенного источника и сообщение от источника с "подмоченной репутацией").

Альтернативный сплайсинг, открытый в конце 70‑х годов прошлого века у аденовирусов, как выяснилось, играет огромную роль в адаптациях всех живых существ. Он предоставляет клетке превосходную возможность разнообразить репертуар своих полезных белков, не меняя при этом самого гена. И все живые организмы вовсю пользуются этим адаптационным механизмом для придания белкам необходимых функциональных и регуляторных свойств. Недавно, например, выяснилось, что у человека 94% генов подвергаются альтернативному сплайсингу (см.: Почти все человеческие гены кодируют более одного белка, «Элементы», 08.11.2008). Так, альтернативный сплайсинг гена человека CD44 может породить более тысячи разных вариантов белка. У нематоды Caenorhabditis elegansгенов примерно столько же, сколько и у человека, но альтернативный сплайсинг проходят только 12% из них. Очевидно, что, поскольку геномы человека и нематоды относительно близки, различие между двумя столь несходными видами достигается именно за счет альтернативного сплайсинга.

Колоссальный объем альтернативного сплайсинга стал понятен только в последние несколько лет. Считалось, что разнообразие белков определяется разнообразием генов. Однако потом выяснилось, что у человека, например, генов существенно меньше, чем предполагали на основе оценки протеомного массива: не 100 тысяч, а всего 25–30 тысяч. Значит, разнообразие белков в организме определяется не только генами, но и необходимостью или потребностью организма в целом. Каждый человек может наблюдать в своей жизнедеятельности основополагающуюю роль Необходимости и Потребности. Т.е. без необходимости или потребности никто ничего не делает. Даже самое мелкое и незначительное действие делается только после того, как в теле появилась потребность или необходимость. Именно разнообразием необходимостей и потребностей объясняется разнообразие белков и альтернативность сплайсинга, поскольку Факторы, формирующие ту или иную необходимость или потребность, обусловлены конкретными информационными характеристиками, которые в свою очередь можно разделить на Объединяющие и различающие.

 Это  фундаментальное или базовое — "Необходимость-Потребность" и "Единство-Противоположность"включает  использование разных белковых изоформ. Манипулируя изоформами белков, организм может получить адаптивные свойства. И вот к альтернативному сплайсингу начинают приглядываться эволюционисты. Какова роль альтернативного сплайсинга в эволюции живого? За решение этой проблемы взялись ученые изУниверситета ТоронтоЛиссабонского университета и Кембриджского университета под руководством Бена Бленкоу (Ben Blencowe). Они исследовали сходство и различие сплайсинга у разных животных: лягушки, ящерицы, курицы, утконоса, опоссума, мыши и нескольких видов приматов (макаки, орангутана, шимпанзе и человека).

В основе исследования лежало эмпирическое знание, что специфичность тканей и строения клеток в тканях обеспечивается вариациями сплайсинга одних и тех же генов. Это означает, что эволюция сплайсинга может нацеливаться на совершенствование тканевых функций, а может исходить из необходимостей и истории конкретного вида. В первом случае у разных животных в одной и той же ткани, например в клетках печени, будут реализованы сходные варианты сплайсинга. Эти варианты будут разниться со сплайсингом в другой ткани, например в мышечной, но в то же время мышечные ткани человека и мыши окажутся схожими. Во втором случае сплайсинг в печени и мышцах у человека обнаружит больше общего, чем сплайсинг в одной и той же ткани у человека и мыши (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема, отражающая идеологию исследования. Светло-желтый экзон может присутствовать или отсутствовать в зрелой матричной РНК (такой экзон называют кассетным), в результате чего получаются разные версии белков (показаны зелеными и розовыми шариками) в тканях животных. Сплайсинг может зависеть от биологического вида (правые (верхние) ряды шариков), а может определяться спецификой тканей (нижние (левые) ряды шариков). Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Рис. 1. Схема, отражающая идеологию исследования. Светло-желтый экзон может присутствовать или отсутствовать в зрелой матричной РНК (такой экзон называют кассетным), в результате чего получаются разные версии белков (показаны зелеными и розовыми шариками) в тканях животных. Сплайсинг может зависеть от биологического вида (правые (верхние) ряды шариков), а может определяться спецификой тканей (нижние (левые) ряды шариков). Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science.

 

Ученые определили РНК-транскрипты из разных тканей (коры мозга, мозжечка, переднего мозга, сердца, мышц, печени, почек и семенников) девяти видов животных и человека. Также определили все возможные варианты сплайсинга в родственных (ортологичных) генах у всех 10 видов. На основе этой информации выявили долю общих экзонов, которые участвуют в альтернативном сплайсинге в разных тканях у разных видов. Оказалось, что у человека и обезьян частота сплайсинга примерно в два раза больше, чем у всех других животных, какую бы ткань мы ни взяли. Самую сложную сплайсинговую комбинаторику продемонстрировали гены белков цитоскелета.

Рис. 2. Частота случаев альтернативного сплайсинга в ортологичных генах у разных животных и человека по отношению к минимальному разнообразию (к частоте таких случаев в почках лягушки). По оси абсцисс отложено время расхождения эволюционных линий позвоночных, представленных в данном исследовании. Во всех тканях (они обозначены разными цветами) у приматов примерно в два раза выше частота альтернативного сплайсинга. Изображение из обсуждаемой статьи в Science.

Авторы исследования заключают также, что разнообразие альтернатив накапливается по ходу эволюционного развития. Действительно, как хорошо видно из рисунка 2, у млекопитающих по мере углубления в эволюционную историю число сходных с человеком сплайсинговых вариантов снижается. Чем ближе к человеку и другим приматам — а это последняя отделившаяся филогенетическая линия в этом ряду, — тем меньше различий в вариантах сплайсинга. Значит, частота и разнообразие альтернативного сплайсинга эволюционируют по ходу изменения и адаптации представителей филогенетической линии, а не специализации той или иной ткани. Иными словами, разнообразие сплайсинговых вариантов зависит в первую очередь от вида животного, но не от типа ткани. Напротив, общее разнообразие всех экспрессируемых генов определяется типом ткани, а не видом животного.

Если провести наблюдения за разнообразными видами животных можно выделить различие их повадок, поведенческих алгоритмов и конечно внешние признаки — все это результат альтернативного сплайсинга, результат эволюции методом "Проб и ошибок".

Общность одинаковых для разных животных типов ткани и генов этих типов тканей наталкивает на мысль, что эта общность выражается не только в аналогичности внешних признаков, так же аналогичны принципы функционирования тканей у разных животных, аналогичны принципы управления тканями нервной системой. И эта общность в процессе деятельности генерирует вокруг аналогичных тканей подобные по частотным характеристикам электромагнитные поля. Которые в свою очередь взаимодействуют по принципам резонанса. И в случае совместной жизнедеятельности разных видов в условиях уравновешенных биосфер или ореалов обитания, генерируется результирующее электромагнитное поле, которое может взаимодействовать с другими электромагнитными полями на тех же принципах и законах, что и все электромагнитные взаимодействия. Таким образом можно сделать вывод о возможности, выделяя своим вниманием те или иные процессы, воздействовать усиливая или ослабляя их. Что сейчас и происходит в жизнедеятельности человека — человек воздействует на окружающую его биологическую среду. Иногда это воздействие движет эволюцию вида (селекция), иногда ослабляет опасный вид (истребление хищников), иногда создает и охраняет от разрушения (заповедные зоны). Но всегда эти действия являются следствием осмысления ситуации в конкретной биосфере и в процессе осмысления конкретный человек "пропускает через себя" т.е. отождествляет свой организм с биосферой и по результатам своего мышления принимает решение о действиях.

Получены и приблизительные оценки скорости накопления сплайсингового разнообразия и разнообразия самих генов: сплайсинг дает в полтора-два раза большую скорость накопления новых вариантов, чем прямые мутации. Любопытно, что скорость накопления вариантов сплайсинга в разных тканях неодинакова и отличается от скорости мутирования тканеспецифичных генов. Например, быстрее всего появляются мутации в генах семенников, а вот накопление разнообразия сплайсинговых вариантов в семенниках идет со средней скоростью, примерно такой же, как и в сердце, печени и почках (рис. 3). Этот результат показывает, что полезные мутации в генах появляются и закрепляются реже, чем появляются и закрепляются варианты альтернативного сплайсинга.

Рис. 3. Процент одинаковых случаев альтернативного сплайсинга у человека по сравнению с другими девятью видами животных. Для каждой ткани (см. легенду во врезке) подсчет велся отдельно. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

При этом картина эволюции сплайсинга несколько видоизменяется, если анализировать более ограниченный набор животных: лягушку, курицу, мышь и человека. То есть нужно отбросить родственных человеку обезьян, чтобы не путали сравнение отдаленных линий; отбросить ящериц, близких по времени дивергенции к птицам. У этого урезанного набора животных нашелся 41 общий экзон (рис. 4). И именно эти общие для всех консервативные экзоны снова проанализировали.

Рис. 4. Общие экзоны, которые участвуют в альтернативном сплайсинге, у человека, мыши, курицы и лягушки. Видно, что у всех этих четырех животных вместе есть 41 общий экзон. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science.

Эти консервативные экзоны неожиданно продемонстрировали у всех видов специфическую для каждой ткани картину сплайсинга. Она, оказывается, определяется не биологическим видом, как в целом для всех альтернативных вариантов, а типом тканей. Очевидно, что удачные эволюционные находки, регулирующие функции тканей, кочуют из одной эволюционной линии в другую и мало меняются. Самую консервативную картину сплайсинга у разных видов продемонстрировали гены, связанные с синаптическими передачами, проведением нервных импульсов, развитием нервной ткани.

Таким образом, мы видим, что в некоторых тканях адаптации происходят больше с помощью мутирования белок-кодирующих генов, в других они связаны с альтернативным сплайсингом. Вывод: два направления изменений ткани:

 

1. Изменение исходя из качества ткани и ее функции как части организма

2. Изменение исходя из внешней информации и фиксирования внешних событий в виде альтернативного сплайсинга или альтернативного кодирования белков. 

Иными словами, ткань или организм либо отторгает внешнюю информацию и поддерживает собственное здоровое функционирование. Либо трансформируется путем альтернативного кодирования белков и эти изменения могут быть полезны ткани, тогда происходит продвижение по эволюционному пути, либо напротив полезны внешнему фактору воздействия — тогда организм или ткань приобретает болезнь. 

Доступ к большему количеству источников информации(следует уточнить что источники информации в данном случае это полноценные организмы — люди, животные или природные сущности — стихии природы, биосферы  с которыми происходит непосредственный контакт, в процессе приобретения опыта. Текстовые источники информации могут быть попросту не так поняты, в следствии подстановки иного смысла нежели у автора и потому менее однозначны и "рельефны", чем непосредственный опыт.) так же увеличивает диапазон выбора и степень свободы выбора. Иными словами: Информированность увеличивает гибкость и адаптационные характеристики организма, что еще раз подтверждает такие пословицы как: "Ученье — свет, а Неученье — тьма", "Знание — сила".

Источники:

1) Nuno L. Barbosa-Morais, Manuel Irimia, Qun Pan, Hui Y. Xiong, Serge Gueroussov, Leo J. Lee, Valentina Slobodeniuc, Claudia Kutter, Stephen Watt, Recep Çolak, TaeHyung Kim, Christine M. Misquitta-Ali, Michael D. Wilson, Philip M. Kim, Duncan T. Odom, Brendan J. Frey, Benjamin J. Blencowe. The Evolutionary Landscape of Alternative Splicing in Vertebrate Species // Science. 2012. V. 338. P. 1587–1593.

По материалам статьи Елены Наймарк  "В эволюции приматов важную роль играл альтернативный сплайсинг"

 

Рейтинг: 0 Голосов: 0 1624 просмотра
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Добавить комментарий