14.8. Az eukarióta gének mozaikos felépítése

A genetikai információ áramlásával kapcsolatos kutatások kezdetben elsősorban az egyszerűbb, prokarióta rendszerek működésére fókuszáltak. Az 1970-es évek elejére az alapok tekintetében minden tisztázódni látszott. Ismertté vált a replikáció, a transzkripció és a transzláció alapfolyamata, és megfejtették a genetikai kódot, amely segítségével a fehérjék szekvenciáját a megfelelő gén DNS szekvenciaként kódolja. Mindenki számára világos volt, hogy az mRNS a DNS-ben lévő gén tökéletes átirata.

Mindezek után hatalmas megrázkódtatást okozott annak felismerése, hogy az eukarióta gének zöme nem egyetlen folyamatos „szövegként”, hanem darabokban hordozza a fehérjékre vonatkozó információt. Az eukarióta gének „megszakított szerkezetűek” az „értelmes” szakaszokat adott esetben hatalmas méretű „értelmetlen” szakaszok választják el.

Ezt elsőként 1977-ben egymástól függetlenül két kutató, Richard Roberts és Phillip Sharp is felismerte. Mindketten a közönséges megfázásért felelős adenovírus működését vizsgálták. Az eukarióta sejteket fertőző vírusoknak az eukarióta gazdasejt molekuláris működéseit kell felhasználniuk, így logikus és sikeres kutatási irányzat volt ilyen vírusokat vizsgálni az eukarióta rendszerek megértése érdekében. A két kutató azt vette észre, hogy a vírus által kódolt mRNS-ek együttes mérete lényegesen kisebb, mint a vírus DNS genomja. Amikor az mRNS-t és a denaturált vírus DNS-t hibridizálták egymással, kiderült, hogy az RNS-DNS hibridek keletkezésekor nagyméretű DNS szakaszok kihurkolódnak, jelezve, hogy azok komplementer szekvenciája nincs jelen az mRNS-ben. Richard Roberts és Phillip Sharp ezekkel a kísérletekkel felfedezték az eukarióta gének mozaikos, intron-exon szerkezetét, amiért 1993-ban orvosi Nobel-díjat kaptak.

Az mRNS-ből hiányzó, csak a génben megtalálható részeket, és az ezeket kódoló DNS szakaszokat Walter Gilbert intronoknak (intragenikus részeknek), az mRNS-be bekerülő szakaszokat, illetve a DNS-ben az ezeket kódoló részeket pedig exonoknak nevezte el.

Eleinte nem volt világos, milyen mechanizmus áll a háttérben. Kétféle elvi magyarázat létezett. Az egyik szerint a transzkripció során a DNS intron szakaszai kihurkolódnak, ezért nem kerülnek lemásolásra. A másik elképzelés szerint a teljes szekvencia másolásra kerül, majd az intronok kivágódnak az RNS-ből.

Ez utóbbi modell bizonyult helytállónak. A gén transzkripciója során még mind az exon, mind az intron átíródik, ezek információja tehát még maradéktalanul belekerül az éretlen mRNS-be, az elsődleges átiratba (pre-mRNS: precursor mRNA). Az érett mRNS azonban már csak az exonoknak megfelelő részeket tartalmazza, az intronok kivágásra kerülnek.

Annak a mechanizmusnak, amely az elsődleges átiratból kivágja az intronokat, miközben összekapcsolja az egymást követő exonokat, a „splicing” elnevezést adták. Ez az angol kifejezés lineáris struktúrák elvágását, majd egyes darabok újra összeillesztését jelenti, pontos magyar megfelelője sajnos nincsen.

A splicing tényét igazoló mRNS-DNS hibridizálást számtalan, nem virális eukarióta DNS esetében megismételték, és a jelenség általánosnak bizonyult. A 14.15. ábra az ovalbumin génnel kapcsolatos kísérletek eredményeit illusztrálja.

14.15. ábra: Hibridizációs technikákkal vizualizálható, hogy az érett ovalbumin mRNS nem tartalmazza a teljes ovalbumin gén információját

14.15. ábra: Hibridizációs technikákkal vizualizálható, hogy az érett ovalbumin mRNS nem tartalmazza a teljes ovalbumin gén információját

Az ovalbumin a tojás egyik legnagyobb mennyiségben jelenlévő fehérjéje, így jogosan feltételezték, hogy az ovalbumin mRNS is nagy mennyiségben izolálható. Az ovalbumin gén DNS-ének két szálát hődenaturálással elválasztották egymástól, és izolált, érett ovalbumin mRNS-t hibridizáltak hozzá. Az mRNS az exonoknak megfelelő részeken hibridizált a DNS-hez, míg a DNS intronoknak megfelelő része kihurkolódva láthatóvá vált. Az egymást követő DNS hurkok egymáshoz viszonyított mérete megegyezett a génben DNS-szekvenálással meghatározott egymást követő intronok egymáshoz viszonyított méretével.

A14.16. ábra sematikusan ábrázolja, hogy milyen változásokon megy keresztül az ovalbumin gén elsődleges átirata, mire érett mRNS keletkezik belőle.

14.16. ábra: Az ovalbumin génről keletkező elsődleges átirat processzálása

14.16. ábra: Az ovalbumin génről keletkező elsődleges átirat processzálása

A splicing nem az egyetlen változás, amelyen az elsődleges átirat átesik. Az mRNS ezen felül a lánc mindkét végén is erősen módosul más enzimek által katalizált folyamatokban. Ennek során olyan szekvencia részletekkel bővül, melyek nincsenek a DNS-ben kódolva. Az 5’-végen egy speciális „sapka” (cap) véget kap, míg a 3’-végen egy hosszú, ismétlődő adenozin nukleotid egységekből álló poliA-farok alakul ki (lásd 14.16. ábra és 14.17. ábra).

Az ilyen elsődleges átírást követő átalakításokat összefoglaló néven processzálásnak nevezzük. A processzálásrészbenko-transzkripciós (ilyen az 5’- sapka kialakulása) részben poszttranszkripciós (ilyen a poliA kialakítása) folyamat, mivel már az átirat készítése közben is zajlik, de az átirat elkészültét követően fejeződik be.

14.17. ábra: Az RNS processzálás elemeinek bemutatása

14.17. ábra: Az RNS processzálás elemeinek bemutatása