Зомби-гены обонятельных рецепторов

Всякий геном содержит псевдогены — последовательности ДНК, бывшие когда-то полноценными генами и утратившие функциональность в результате мутаций. Недавно швейцарские ученые под руководством ассоциированного профессора Лозаннского университета Ричарда Бентона (Richard Benton) обнаружили, что псевдогены, несмотря на поломку, могут быть вполне функциональны [1]. Авторы исследования предложили для них новое название — псевдопсевдогены.

Кодирующие последовательности ДНК или РНК разбиты на триплеты (смысловые кодоны), каждый из которых содержит информацию об одной аминокислоте. Есть также стоп-кодоны, они обозначают точку, в которой синтез белка должен быть прекращен. Иногда мутация — замена нуклеотида или сдвиг рамки считывания — приводит к тому, что смысловой триплет превращается в стоп-кодон. В этом случае ген не может кодировать полноразмерный, полноценный белок и становится псевдогеном.

Стоп-кодон, возникший в ненадлежащем месте, называют преждевременным (premature termination codon, далее PTC). Псевдогены довольно часто встречаются среди генов обонятельных рецепторов. Возможно, это память о сменах экологической ниши. В новой обстановке гены, позволяющие распознавать прежние запахи, уже не так важны для выживания, поэтому могут утратить функцию.

Швейцарские ученые посвятили свое исследование сравнению обонятельных рецепторов у Drosophila melanogaster и близкородственного вида D. sechellia. Рецепторы Ir75a, расположенные в нейронах определенных чувствительных волосков дрозофилы, сенсиллах ас2, воспринимают запахи кислот, в том числе уксусной и пропионовой. Уксусная кислота выделяется при гниении фруктов, и плодовым мушкам жизненно необходимо ощущать этот запах.

Оказалось, что у D. melanogaster ген Ir75a в полном порядке, а у D. sechellia он превратился в псевдоген: замена нуклеотида сделала из кодона аминокислоты глутамина САА стоп-кодон ТАА. Теоретически, D. sechellia не должны чувствовать уксусную кислоту, но им это и не нужно. D. sechellia — эндемичный вид Сейшельских островов — питается исключительно плодами растения нони (Morinda citrifolia), которые уксусную кислоту практически не выделяют.

Электрофизиологические измерения показали, что сенсиллы ас2 у D. sechellia действительно утратили чувствительность к уксусной кислоте, однако воспринимают запахи других кислот (пропионовой, масляной и 2-оксопентановой). Поскольку никаких других рецепторов, кроме Ir75a, исследователи в этих сенсиллах не обнаружили, им оставалось лишь предположить, что псевдоген Ir75a все-таки кодирует полноразмерный белок и PTC читается как смысловой кодон.

Это предположение подтвердилось. Функциональный псевдоген — удивительное явление, его можно сравнить с ожившим ископаемым или с зомби, который встал и пошел. В одной из заметок Ричард Бентон назвал псевдоген обонятельных рецепторов «зомби-геном» [2].

Дальнейшие исследования показали, что чтение последовательности Ir75a сквозь преждевременный стоп-кодон происходит с такой же эффективностью, как если бы на этом месте стоял исходный глутаминовый кодон. Эффективность белкового синтеза зависит от нуклеотида, расположенного непосредственно за PTC. У D. sechellia это цитозин, его замена на аденозин блокирует прочтение стоп-кодона.

Кроме того, исследователи выяснили, что псевдопсевдоген Ir75a может работать в сенсиллах не только D. sechellia, но и D. melanogaster, причем как в сенсилле ас2, так и в других нейронах, так что сквозное чтение не специфично для определенного вида дрозофилы или класса обонятельных нейронов. Однако в ненейронных клетках, например в глии, PTC не считывается, так что клеточная специфичность все-таки имеет место.

Чувствительность рецепторов Ir75a D. melanogaster, родственного вида D. simulans и D. sechellia различаются. Два первых вида чувствуют запахи уксусной и пропионовой кислоты, а D. sechellia обоняют пропионовую, масляную и 2-оксипентановую. По мнению исследователей, разница в восприятии вызвана различиями в генной последовательности. Псевдопсевдоген, помимо PTC, имеет еще семь мутаций, приводящих к заменам аминокислот. Если внести эти мутации в Ir75a D. melanogaster, чувствительность ее рецептора изменится, и трансгенные мухи будут воспринимать те же запахи, что и D. sechellia.

Поскольку псевдогенов в геноме много, исследователи предположили, что функциональность Ir75a D. sechellia не исключение. Могут быть и другие псевдогены, в которых считывается PTC. Ученые стали искать такие последовательности и нашли псевдопсевдогены нескольких обонятельных рецепторов у D. melanogaster и представителей тасманийской группы дрозофил. Таким образом, феномен функциональных обонятельных псевдогенов не ограничен ни определенным видом, ни конкретным рецептором.

Случаи прочтения PTC известны для вирусов, но у эукариот в естественных условиях они описаны впервые. Поскольку исследователи обнаружили уже четыре подобных случая, процесс этот не исключительный и достаточно эффективный, чтобы обеспечить функциональность псевдогена. Как именно происходит чтение сквозь PTC, ученые пока не знают. Возможно, в нейронах существует для этого специальная молекулярная машинерия.

Ричард Бентон и его сотрудники предполагают, что функциональные псевдогены распространены шире, чем принято думать. Они намерены продолжить экспериментальное исследование сотен псевдогенов, содержащих PTC, не только у насекомых, но и у других организмов, в частности, у человека.

Наталья Резник

1. Prieto-Godino L. L., Rytz R., Bargeton B., Abuin L., Arguello J. R., Dal Peraro M., Benton R. Olfactory receptor pseudo-pseudogenes // Nature, 2016, 539(7627): 93-97, doi: 10.1038/nature19824

2. www.hfsp.org/frontier-science/awardees-articles/%E2%80%9Czombie%E2%80%9D-genes-olfactory-system