Геном: автобиография вида в 23 главах

Ридли Мэтт

До сих пор в этой книге мы рассматривали гены, у которых в геноме было определенное назначение. Напомню, ген — это последовательность ДНК, в которой записан рецепт одного белка. Но 97% ДНК нашего генома не содержит никаких генов вообще. Все это огромное пространство населяют «существа», называемые псевдогенами, ретропсевдогенами, сателлитами, минисателлитами, транспозонами и ретротранспозонами, одним словом, «бесполезная ДНК», или еще более точный термин — «эгоистичная ДНК». Некоторые представители этой братии действительно являются генами, но в большинстве своем эти локусы ДНК никогда не транслируются в какие-либо белки. Поскольку эгоизм тематически связан с половым антагонизмом, который мы рассмотрели в предыдущей главе, эту главу посвятим эгоистичным генам.

По правде говоря, я зарезервировал эту тему для хромосомы 8 только лишь потому, что не нашел на ней ничего примечательного для этой книги. Я не хочу сказать, что на хромосоме 8 собрались особенно скучные гены или что их мало. Просто до сих пор гены данной хромосомы очень мало изучены и роль многих из них не ясна. По крайней мере, мне не попалась на глаза ни одна яркая публикация, которая привлекла бы мое внимание. (Возможно,

из-за того что это не самая длинная и не самая короткая хромосома, исследователи мало обращали на нее внимания.) Бессмысленная ДНК составляет большую часть не только этой, но и всех остальных хромосом. Несмотря на то что мы называем эту ДНК бессмысленной, именно для нее впервые нашлось практическое применение в криминалистике для установления личности с помощью генетического анализа.

Гены содержат в себе прописи белков, но не все белки, прописи которых есть в геноме, нужны и желанны в организме. Чаще всего в нашем геноме встречается ген, кодирующий белок обратную транскриптазу. В организме человека для этого белка нет никакой работы. Если бы из генома отдельно взятого человека извлекли и удалили все копии гена обратной транскриптазы, здоровье, долголетие и благополучие человека от этого совершенно не пострадали бы, скорее наоборот. Обратная транскриптаза нужна только одной группе паразитов — ретровирусам. Это необходимый элемент жизненного цикла вируса СПИДа, без которого он не смог бы заражать и убивать людей. Для клеток человека этот белок бесполезен, он несет только дополнительную угрозу. Тем не менее это самый обычный ген в нашем геноме. Насчитывается несколько сотен, а может быть, даже тысяч копий данного гена по всему геному человека. Открытие, которое должно насторожить нас не меньше чем факт, что половина продаваемых лекарств в аптеках — подделки. Почему так получилось?

Объяснение заключается в функции белка обратной транскриптазы. Данный фермент прикрепляется к РНК, копирует ее обратно в ДНК и встраивает полученный фрагмент ДНК в геном. Это обратный билет для генов, покинувших геном. С помощью обратной транскриптазы вирус СПИДа встраивает свой геном в хромосому человека — лучший способ спрятаться и копироваться вместе с хромосомой, не затрачивая на это никакого труда. Множество генов обратной транскриптазы — это тела вирусов, выстроившихся когда-то давно или недавно в геном человека и оставшихся здесь на века, а может, на время. Несколько тысяч таких инертных вирусных частиц насчитывается во всех хромосомах человека. В общей сложности человеческие эндогенные ретровирусы (human endogenous retroviruses, HERVs) составляют 1,3% длины всего генома. Может показаться, что это не так много, но следует вспомнить, что все родные гены человека составляют всего 3% длины генома. Если идея о том, что вы произошли от обезьяны, ранит ваше достоинство, то задумайтесь над тем, что с еще большей уверенностью можно сказать, что мы все произошли от вирусов.

Но что делают все эти вирусы в нашем геноме? В действительности большинство из них уже нельзя назвать вирусами. Они потеряли многие свои гены, в некоторых случаях осталась одна обратная транскриптаза. На каком-то этапе активный паразит прекратил свой небезопасный бизнес заражения окружающих людей с помощью слюны или во время полового акта, а вместо этого устроился бесплатным пассажиром в хромосоме и передается уже не от человека к человеку, а из поколения в поколение. Генетический паразит в чистом виде. При этом некоторые бывшие вирусы, называемые ретротранспозонами, продолжают копировать себя, плодясь внутри генома в невероятных количествах.

Наиболее известным из них является самокопируемая последовательность ДНК, называемая LINE-1. Это «абзац» ДНК длиной от 1 000 до 6 000 «букв», ближе к середине которого находится пропись обратной транскриптазы. Последовательность LINE-1 не только часто встречается в геноме — насчитывается более 100 000 копий, — но еще и склонна к образованию колоний. В некоторых местах на хромосомах этот «абзац» текста повторяется множество раз, образуя длинную цепь. LINE-1 занимает своими копиями 14,6% генома, т. е. эта последовательность встречается примерно в 5 раз чаще, чем нормальные гены человека. При этом пандемия LINE-1 продолжается. Вся последовательность LINE-1 может транскрибироваться с хромосомы, синтезировать свой собственный белок обратную транскриптазу, которая опять превращает РНК LINE-1 в ДНК и встраивает новую копию в любом месте генома. Вот почему в геноме так много копий LINE-1. Возмутительно, не правда ли? Наш геном полон генов, которые хороши лишь тем, что могут успешно копировать себя. «У блохи есть меньшая блоха, которая живет на ней, а ту кусает еще меньшая блоха, и так до бесконечности». Последовательность LINE-1 в этом плане не исключение. На ней успешно паразитирует другой, более мелкий, но еще более успешный паразит — ретротранспозон Alu. Этот ретротранспозон давно забросил куда-то свою обратную транскриптазу (а зачем она ему, когда вокруг так много LINE-1), сократив свое тельце всего до 180–280 «букв». Несмотря на то что в тексте Alu не записана структура никаких белков, он успешно транскрибируется и использует чужие обратные транскриптазы для возвращения своих копий в геном. Всего в геноме человека более 2 млн копий Alu, которыми заполнено 10% генома человека [89] .

89

Kazazian H. H., Moran J. V. 1998. The impact of L1 retrotransposones on the human genome. Nature Genetics 19: 19–24.

Последовательность нуклеотидов в Alu очень сильно напоминает один настоящий ген — ген белка, который входит в состав рибосомы, — органеллы, выполняющей синтез белков в соответствии с кодом, записанным в РНК. Насколько случайно такое сходство, пока неизвестно. Характерной особенностью этого гена является наличие так называемого внутреннего промотора — особой последовательности ДНК, которая для белков, выполняющих считывание генов с хромосом,

служит призывной надписью: «ПРОЧТИ МЕНЯ». Обычно промоторы находятся перед началом гена, но в данном случае команда на чтение гена объединена с самим геном, что объясняет столь высокую частоту его копирования. Alu, скорее всего, является псевдогеном. Псевдогены в большинстве своем — это остатки генов, которые в результате мутаций утратили свои функции, но благодаря свойству самокопирования зависли на грани существования и исчезновения. Они остаются балластом в геноме и продолжают накапливать мутации. В конце концов, они совсем перестают напоминать гены, от которых произошли. Например, один псевдоген повторяется в хромосоме 14 раз на 11 хромосомах. Когда-то это были 14 копий одного, вероятно, важного гена, который утратил свое значение в ходе эволюции. Мутации в «молчащих» генах стали стремительно накапливаться, поскольку не вели ни к каким положительным или отрицательным последствиям для организма. В результате в геноме появилось 14 призраков, отдаленно напоминающих гены. Это не единственный пример, но что интересно, именно эти 14 генов обнаружены также в геномах обезьян. По крайней мере три копии этого гена уже не функционировали, когда приматы разделились на обезьян Старого и Нового Света. Это свидетельствует о том, затаив дыхание, говорят ученые, что эти гены утратили свои функции и остаются балластом на протяжении вот уже почти 35 млн лет [90] .

90

Casane D. et al. 1997. Mutation pattern variation among regions of the primate genome. Journal of Molecular Evolution 45: 216–226.

Миллионы копий Alu накопились в нашем геноме относительно недавно. Эта последовательность известна только у приматов. Различают пять подтипов Alu, причем один подтип появился уже после того, когда наши предки отделились от предков шимпанзе, т. е. в течение последних 5 млн лет. У других животных есть свои внутренние генетические паразиты. Так, в геноме мышей было обнаружено много копий другой последовательности, названной B1.

Последовательности LINE-1 и Alu были открыты и подсчитаны недавно, что привело ученых в шок. Оказывается, наш геном — это большая помойка. Он напоминает компьютер, зараженный разнообразными вирусами, способными только к копированию самих себя и заполонившими весь жесткий диск. Примерно 35% генома представлено эгоистичными псевдогенами. Каждый раз, когда клетка копирует хромосомы перед делением, она тратит 35% энергии впустую. В нашем геноме давно пора навести порядок.

Никто не ожидал таких результатов. Когда ученые только приближались к геному как к святыне, никто не мог себе представить, что основными его жильцами будут неконтролируемые и эгоистичные псевдогены. Хотя нам следовало это предвидеть, поскольку все предшествующие уровни жизни также кишели паразитами: черви в кишечнике, бактерии в крови и вирусы в клетках. Почему бы в геноме не развестись ретротранспозонам? Кроме того, с середины 70-х годов прошлого столетия среди биологов-эволюционистов появилось и крепнет представление о том, что в основе естественного отбора лежит не столько состязание между видами, или подвидами, или отдельными особями, сколько состязание между генами, использующими организмы или их сообщества в качестве временных «боевых слонов» для борьбы с другими генами. Именно поэтому, вместо того чтобы с наслаждением и комфортом провести собственную жизнь, все живые организмы расходуют всю свою энергию и рискуют жизнью ради того, чтобы родить и вырастить свое потомство. И все живые организмы устроены так, что очень быстро стареют и умирают после прохождения репродуктивного периода жизни, а в случае с тихоокеанским лососем — умирают одновременно с появлением своего потомства. В этом нет никакого здравого смысла, если посмотреть на жизнь глазами эгоиста, но в этом есть огромный смысл для эгоистичных генов, управляющих нами изнутри как своими гоночными машинами, чтобы победить в соревновании и оставить как можно больше копий самих себя. Генам не важна продолжительность жизни отдельной особи. Им важно, чтобы эта особь оставила после себя как можно больше потомков в следующем поколении. Если гены «эгоистичны», а наши тела — это лишь их «машины» (спорная терминология, позаимствованная у Ричарда Докинза), то стоит ли удивляться, что некоторые гены нашли способ размножаться, даже не связывая себя никакими обязательствами перед организмом. Нет также ничего удивительного в том, что геном, как и организмы, оказался сам полем боя и эволюционного соревнования между генами. С 70-х годов прошлого столетия эволюционная биология стала наукой не о животных, а о генах.

В 1980 году двое ученых впервые попытались объяснить наличие в геноме огромных локусов ДНК, не кодирующих белки, тем, что эти локусы заполнены эгоистичными генетическими элементами, занятыми лишь копированием самих себя. «Поиск других объяснений, — пишут они, — может быть полезной тренировкой ума, но бесполезен в плане результатов». За такое дерзкое предсказание они были высмеяны научным миром. В среде генетиков того времени все еще царило убеждение, что если в геноме человека что-то есть, то это должно быть наполнено определенным значением для человека, а не для самого себя. Гены представлялись всего лишь прописями белков. Смешно было думать, что они преследуют какие-то собственные далеко идущие планы. Но предположение об эгоистичной природе генов вскоре было блестяще доказано. Хотя гены не могут мыслить и строить планы, те из них, которые отличаются эгоистичным нравом, просто копируют и продлевают себя, в то время как все остальные быстро сходят со сцены [91] .

91

Doolittle W. F., Sapienza C. 1980. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution. Nature 284: 601–603;

Orgel I. E., Crick F. H. C. 1980. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature 284: 604–607.