Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Все заимствовано у самых разных авторов. Невыносимо скучно, невнятно и с кучей ошибок. Кроме того, постоянно повторяется одно и то же… Я не эгоист! Вся эта писанина ни на что не годна.

Сводить наш наследственный материал исключительно к генам весьма недальновидно. Возможно, такой подход позволит нам обнаружить красивую серебристую звезду, но мы не увидим прилагаемый к ней внедорожник «Мерседес», потому что гены, кодирующие производство белков, составляют чуть больше одного процента всего генома. А весь огромный и на первый взгляд бесполезный «остаток» вовсе не такой уж безжизненный, как может показаться.

Если мы на секундочку отвлечемся от деталей и попробуем увидеть всю картину целиком, то заметим, что между нашим геномом и текстом, написанным тетей Хедвиг, есть что-то общее… скажем, определенные литературные недоработки. В них присутствуют и ошибки, и повторы. А плагиат так и прет из всех щелей. Но люди в этом не одиноки. Геномы большинства животных и растений находятся в похожем состоянии. Однако давайте обо всем по порядку.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

А: Эти постоянные повторы, которые демонстрирует мать-природа, просто действуют на нервы! Повторяю: просто действуют на нервы! Повторяю: просто дей…

Как и в тексте Хедвиг, в человеческом геноме есть места, которые все время повторяются. И они составляют более половины всей ДНК человека. Часть из них – это уже упомянутые теломеры (окончания хромосом), представляющие собой тысячекратные повторения последовательности ТТАГГГ и выполняющие роль узла, завязанного на конце веревки, чтобы она не расплеталась. Кроме того, они сигнализируют ремонтным машинам ДНК в клетках: «Здесь все в порядке! Проходите дальше».

В противном случае концы ДНК подвергались бы слишком большому износу и в аварийной ситуации просто связывались бы друг с другом на скорую руку. Такое слияние хромосом приводило бы к хаосу и в конечном итоге означало бы смерть клетки.

Но значительная часть повторений последовательностей в геноме объясняется другими, вполне эгоистическими причинами. Вопреки нашим ожиданиям, далеко не все гены без устали работают для того, чтобы обеспечить организму (то есть нам с вами) хорошую жизнь и приятные вечера на диване у телевизора. Среди них существуют такие, которым наплевать на общее дело. Они ведут себя в геноме как блохи на собаке, то есть паразитируют. Им безразлично, как чувствует себя собака. Личный интерес этих генов состоит в том, чтобы размножаться самим. Но у них есть и еще кое-что общее с блохами: они умеют прыгать. Имеются в виду не прыжки в высоту и не прыжки в мешках, а перескакивание с одного места ДНК на другое, а если повезет, то и в другой организм. Препятствием для них не является даже то, что этот организм может относиться к другому виду. Такие гены называют прыгающими, или транспозонами.

В общих чертах прыгающие гены подразделяют на два вида: ретротранспозоны и ДНК-транспозоны. Ретротранспозоны побуждают мРНК клеток изготавливать копии самих себя, чтобы использовать их для производства белков. Среди них выделяется реверсивная транскриптаза, обладающая небывалой способностью переводить РНК в ДНК. Такое умение поразительно, поскольку противоречит догме молекулярной биологии, сформулированной самим Фрэнсисом Криком. Она гласит, что ДНК может переводиться в РНК, но ни в коем случае не наоборот. И все же этот белок существует и, скорее всего, даже не подозревает о каких-либо догмах.

Ретротранспозоны используют свои особые способности, чтобы переводить себя в ДНК, а потом вставлять полученную копию фрагмента ДНК в другой участок генома.

Что же касается ДНК-транспозонов, то они не утруждают себя манипуляциями с РНК, а напрямую вырезают нужный фрагмент ДНК с помощью кодируемых ими же белков и вставляют его в другой участок.

Но такой процесс размножения (и транспортировки) не обеспечивает стопроцентной надежности, поэтому большинству транспозонных копий, которые мы находим в геноме, свойственны дефекты. У них отсутствуют какие-то куски, последовательности подвержены мутациям и записаны с ошибками. Такие копии не могут прыгать самостоятельно, но это вовсе не значит, что им суждена гибель. Некоторые транспозоны с дефектными белками «ездят на попутках», используя белки родственных транспозонов (так же как некоторые члены семьи время от времени пользуются чужим компьютером…).

Самыми распространенными ретротранспозонами человека являются Alu-повторы, которых насчитывается свыше миллиона копий (около 10 процентов всего нашего генома), и длинные диспергированные повторы LINE-1 (примерно полмиллиона копий и 18 процентов генома). Alu-повторы намного меньше по объему, поскольку у них нет собственной реверсивной транскриптазы, которую они заимствуют у LINE-1.

Перескакивание транспозонов на новое место может иметь неприятные последствия для организма, приводя к разрушению генов и хромосом. Например, встраивание LINE-1 в гены, отвечающие за свертываемость крови, является одной из причин гемофилии. Поэтому клетки защищаются от подобных прыжков с помощью целого арсенала средств. Они упаковывают траспозоны таким образом, чтобы их невозможно было прочитать, или маркируют скопированную с них РНК как подлежащую уничтожению. Ситуацию усугубляют случайные мутации, со временем накапливающиеся в последовательностях транспозонов. Из-за них некоторые наши прыгающие квартиранты порой так видоизменяются, что перестают функционировать. В активном состоянии находится всего 80-100 транспозонов LINE-1, а более чем из миллиона Alu-повторов лишь около 6 тысяч в состоянии передвигаться с помощью взятых взаймы белков, но обычно организм старается и их держать в состоянии покоя. Только в нервных клетках мозга несколько лет назад была отмечена повышенная активность прыгающих генов. Почему так происходит и связаны ли эти изменения в нейронах с развитием личности, пока еще не выяснено.

Что касается ДНК-транспозонов, то с ними дела обстоят еще хуже, чем с ретротранспозонами. Во многих эукариотах они, похоже, полностью выродились, и единственное, что еще можно обнаружить, – это испорченные копии, которые уже давным-давно хранятся в геноме, словно ископаемые кости динозавров.

Но есть одна группа ДНК-транспозонов, живые представители которой все еще встречаются, по крайней мере, в некоторых организмах. Это суперсемейство ТС1/mariner. Оно может похвастаться долгой и славной историей. Его члены смогли широко распространиться по миру и в числе прочих завоевать геномы грибов, растений, насекомых, рыб и млекопитающих (в том числе человека). Правда, сегодня их лучшие времена остались позади и наряду с бесчисленными испорченными ископаемыми копиями можно найти в отдельных организмах максимум десяток активных экземпляров, а у позвоночных животных – вообще ни одного.

Однако ученым было интересно, что представляли собой транспозоны позвоночных и как они функционировали. Чтобы это выяснить, они собрали и сравнили остатки ТС1/mariner у восьми пород лососевых рыб. Таким образом на основе разрозненных фрагментов удалось реконструировать действующую последовательность гена. Затем был сделан следующий шаг – искусственное воссоздание этого короткого участка ДНК. И надо же – он заработал!