Геном

Ридли Мэтт

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

Милли (iiii.i 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 Bi.

Последовательности LINE-i 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 (Richard Dawkins)), 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 (Doolittle W. Е, Sapienza С. 1980. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution. Nature 284: 601-603; Orgel 1. E„ Crick E H. C. 1980. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature 284: 604-607).

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 (McClintock В. 1951. Chromosome or­ganisation and genetic expression. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 16: 13-47).

В геноме человека ретротранспозоны LINE-i и Alu так­же вызывают мутации, «приземляясь» в середине генов. Например, разрывая на части ген фактора сворачиваемо- сти 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 транспо- зон, названный Р-элементом. Однажды в 50-х годах прошло­го столетия где-то в Южной Америке вероятно в результате кровосмешения Р-элемент из Drosophila ivillistoni 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 Р-элементом у плодовых мушек.) С тех пор Р-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. Р-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 Р-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 транспо- зоном 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-i 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 (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-i 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 ООО 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».