Геном: автобиография вида в 23 главах

Ридли Мэтт

Сегменты эгоистичной ДНК— это не просто бесплатные пассажиры, чье присутствие просто увеличивает длину хромосом и приводит к большим затратам энергии во время их копирования. Эти сегменты еще нарушают целостность генов. Поскольку эгоистичные сегменты имеют обыкновение перепрыгивать с места на место или встраивать свои копии в любом месте на хромосомах, иногда случается, что они появляются внутри действующего гена, разрывая его на части, а потом перескакивают в новое место, вновь сшивая ген в прежнем месте. Именно такое поведение транспозонов впервые описала в 1940 году блестящий ученый-генетик Барбара Мак-Клинток (Barbara McClintock), которую ученый мир долго игнорировал и не замечал. (В конце концов за свои открытия она была удостоена в 1983 году Нобелевской премии.) Свое открытие она сделала, наблюдая за изменениями цвета зерен кукурузы в початках — признак, безусловно, наследуемый, но передающийся с нарушениями закона Менделя, что можно было объяснить только обратимой мутацией в гене, определяющем цвет зерен [92] .

92

McClintock B. 1951. Chromosome organisation and genetic expression. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 16: 13–47.

В

геноме человека ретротранспозоны LINE-1 и Alu также вызывают мутации, «приземляясь» в середине генов. Например, разрывая на части ген фактора сворачиваемости крови, они вызывают гемофилию. Но по пока непонятным причинам наш геном в меньшей степени страдает от транспозонов, чем геномы других организмов. В среднем только 1 из 700 мутаций у человека вызывается «прыгающими генами», тогда как у мышей примерно 10% мутаций связано с активностью транспозонов. Потенциальная опасность транспозонов была продемонстрирована в 1950-х годах в экспериментах на плодовых мушках дрозофилах. Дрозофилы — излюбленный объект для генетических исследований. Для чистоты экспериментов обычно используют мушек одного вида, Drosophila melanogaster, которых развели в лабораториях всего мира. Естественно, мелкие, едва заметные мушки часто сбегают из лабораторий и скрещиваются с аборигенными видами. Один из родственных видов мушек, Drosophila willistoni, несет в своем геноме активный транспозон, названный P-элементом. Однажды в 50-х годах прошлого столетия где-то в Южной Америке вероятно в результате кровосмешения P-элемент из Drosophila willistoni перепрыгнул в Drosophila melanogaster. (Одна из угроз, которую несут в себе так называемые ксенотрансплантанты — органы свиньи или бабуинов, используемые для лечения людей, — состоит в том, что с этими органами в геном человека могут попасть чужеродные транспозоны, так, как это произошло с P-элементом у плодовых мушек.) С тех пор P-элемент распространился среди плодовых мушек как степной пожар. Сейчас этот транспозон может быть обнаружен практически в любой дикой плодовой мушке, хотя это уже не та форма, которая впервые была зарегистрирована в 1950-х годах. P-элемент отличался способностью встраиваться в гены и инактивировать их. Со временем у мушек сработали какие-то механизмы подавления транспозона и его копии застыли в геноме вечными бесплатными пассажирами.

В геноме человека такие активные разрушители генов, как P-элемент, пока не зарегистрированы. Похожий транспозон с именем «спящая красавица» был обнаружен в лососе. Когда в лабораторных условиях его внедрили в культуру клеток человека, он проявил незаурядную способность «скакать» по хромосомам, разрушая встречающиеся гены. Видимо, что-то подобное когда-то произошло и с транспозоном Alu, который был занесен в геном предков человека. Перенос скачущих генов от вида к виду сначала вызывает их бурную экспансию, пока геном не выработает механизмы подавления транспозона, после чего его малоактивные или инактивированные копии навсегда остаются «вшитыми» в геном. Тот факт, что гены человека сейчас не сильно страдают от активности транспозонов, говорит о том, что последняя инвазия случилась довольно давно, и геном уже успел справиться с ней.

В этом плане, как и во многих других, нам очень повезло в отличие от мушек дрозофил. Механизм подавления транспозонов у нас один и тот же. Согласно последней теории этот механизм состоит в метилировании цитозина. Цитозин, как вы помните, это «буква» С в генетическом алфавите. Метилирование, или, другими словами, добавление к цитозину метильной группы из атома углерода и трех атомов водорода, препятствует считыванию информации с генов. Большинство генов в геноме, а также их промоторы (структуры в начале генов, запускающих их считывание) находятся в заблокированном состоянии. Общепризнано, что метилирование в клетках используется для отключения генов, которые не нужны в данной ткани. Вот почему мозг отличается от печени, а печень от кожи и т. д. Но недавно получила подтверждение альтернативная теория назначения метилирования ДНК, согласно которой этот процесс не столь важен для дифференциации тканей, как для подавления транспозонов и других внутригеномных паразитов. Действительно, ДНК ретротранспозонов Alu и LINE-1 наиболее метилирована в геноме. На ранних стадиях развития эмбриона в клетках почти нет метилированной ДНК и все гены находятся в рабочем состоянии. В это время особые белки проходят с инспекцией вдоль всех хромосом, распознают и метилируют гены вирусов и транспозонов. Первое, что происходит в раковых клетках, — это демитилирование ДНК. В результате все генетические паразиты оказываются на свободе и быстро увеличиваются в числе. Именно в результате их активности в раковых клетках стремительно накапливаются мутации, до неузнаваемости изменяя клетки. Метилирование — это первый рубеж, который выстраивает клетка против проникших в нее генетических паразитов [93] .

93

Yoder J. A. et al. 1997. Cytosine methylation and the ecology of intragenomic parasites. Trends in Genetics 13: 335–340.

Генетические паразиты чрезвычайно разнообразны по размерам и поведению. LINE-1 состоит примерно из 1 400 «букв», Alu содержит как минимум 180 «букв», но есть еще более мелкие элементы, способные к копированию себя в длинные повторяющиеся последовательности. Их даже трудно назвать паразитами. Они не способны прыгать по геному и разрушать гены, но они существуют только потому, что способны обманным способом копировать себя. Именно

эти короткие чередующиеся последовательности ДНК нашли применение в криминалистике. Познакомьтесь с «гипервариабельным минисателлитом». Эти последовательности не обошли своим вниманием ни одной хромосомы и образовали более 1 000 колоний по всему геному. И во всех случаях данный участок хромосомы представляет собой множество повторов одного «слова» длиною примерно в 20 «букв». Само «слово» может меняться в разных местах хромосомы и у разных людей, но чаще всего оно представлено такой последовательностью нуклеотидов: GGGCAGGAXG (где X — любой нуклеотид). Интересно, что эта последовательность очень напоминает аналогичный генетический элемент в геномах микроорганизмов, где он служит точкой инициации процесса обмена генами между бактериями одного вида. Есть данные, что и в геноме человека эти последовательности вовлечены в обмен генами между хромосомами. Для соответствующих белков эта последовательность выступает в роли транспаранта «ЗАМЕНИ МЕНЯ».

Посмотрите, примерно так выглядит минисателлит:

GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG

В данном случае у нас 10 повторов одного «слова». В других местах на хромосомах (а таких мест тысячи) может быть от 5 до 50 повторов. Следуя инструкциям, клетка приступает к обмену между аналогичными последовательностями минисателлитов на одной или разных хромосомах. При этом обмен происходит случайным образом, в результате чего в одном месте количество повторов уменьшается, а в другом — увеличивается. Такие обмены случаются достаточно часто, чтобы гарантировать, что у каждого человека образуется совершенно уникальное чередование минисателлитов в хромосомах. В то же время этот процесс не настолько быстрый, чтобы нельзя было заметить явное сходство между родителями и детьми. Сравнение повторов в тысячах серий минисателлитов позволяет достоверно установить родственные связи и идентифицировать человека по биологическим образцам.

Минисателлиты впервые были обнаружены совершенно случайно Алеком Джеффрисом (Alec Jeffreys) и его помощницей Вики Уилсон (Vicky Wilson) в 1984 году. Они изучали эволюцию генов, сравнивая между собой гены человеческого мышечного белка миоглобина и аналогичного белка тюленей, и вдруг в середине гена обнаружили серию повторяющихся последовательностей ДНК. Поскольку «слова» во всех минисателлитах почти одинаковы, но количество повторов разное, они оказались удобными элементами для обнаружения их в геноме и подсчета отличий между индивидами. Оказалось, что число повторов в одном и том же месте на хромосоме настолько изменчиво, что минисателлиты могут служить генетическими «отпечатками пальцев». Полоски минисателлитов на генетической карте хромосомы выглядят, как штрих-код на товарах в супермаркете. Джеффрис сразу же осознал значимость своего открытия. Забыв о гене миоглобина, который был темой его исследований, он разрабатывает различные методы применения минисателлитов на практике. Созданием базы данных минисателлитов первыми заинтересовались иммиграционные службы. Они решили, что с помощью биологических тестов можно определять, есть ли у человека, подавшего заявление на получение туристической визы для поездки в какую-либо страну, близкие родственники, которые уже ранее проникли в эту страну и осели там. Генетическая идентификация на практике показала всю свою мощь. Но наиболее широкое применение этот метод нашел в криминалистике, о чем речь пойдет ниже [94] .

94

Jeffreys A. J. et al. 1985. Hypervariable ‘minisatellite’ regions in human DNA. Nature 314: 67–73.

2 августа 1986 года неподалеку от деревни Нарборо (Narborough) в английском графстве Лестершир (Leicestershir) в кустах терновника было обнаружено тело пятнадцатилетней школьницы. Дон Эшуорт (Dawn Ashworth) была изнасилована и убита. Неделей позже полиция арестовала молодого грузчика из местного госпиталя Ричарда Бакланда (Richard Buckland), которому было предъявлено обвинение. На этом можно было бы поставить точку. Бакланд уже был на пути в тюрьму за изнасилование и убийство. Но полиции не давал покоя другой случай изнасилования и убийства пятнадцатилетней школьницы, Линды Манн (Lynda Mann), здесь же в Нарборо тремя годами ранее. Ее тело было брошено посреди поля, и многое указывало на то, что оба изнасилования совершил один и тот же человек. Но Бакланд отказывался признаться в совершении убийства.

О новом методе Алека Джеффриса полицейские узнали из газет. Джеффрис работал в Лестершире всего в 10 милях от Нарборо. Полицейские обратились к Джеффрису с просьбой помочь установить убийцу Линды Манн. Он согласился попробовать. Полицейские предоставили ученому образцы спермы с обоих мест преступления, а также образец крови Бакланда.

Получение и анализ ДНК были связаны с некоторыми проблемами, но через неделю работа была завершена. Действительно, два образца спермы были идентичными, но они не совпадали с образцом крови. ДНК из крови Бакланда содержала совершенно иные последовательности минисателлитов. Бакланд не мог быть убийцей.

Полиция Лестершира считала, что, должно быть, Джеффрис допустил в своих методах какую-то ошибку — результат совершенно абсурдный. Джеффрис повторил тест. Независимую экспертизу провели в лаборатории министерства внутренних дел Великобритании. Результаты совпали. Полиции ничего не оставалось делать, как закрыть дело в отношении Ричарда Бакланда. Впервые в истории криминалистики невиновность человека была доказана по его геному.

Сомнения у полиции все же оставались, ведь Бакланд признал себя виновным в убийстве второй школьницы. Но позже полицейские убедились, что генетика предоставляет наиболее совершенные методы как для выявления преступника, так и для снятия ложных обвинений и самооговоров. Через пять месяцев после убийства Эшуорт полиция взяла анализы крови у 5 500 жителей Нарборо и окрестных селений для проведения генетического тестирования. Ни один из образцов не совпал с образцами ДНК с мест преступлений.