Геном

Ридли Мэтт

Существует три основные гипотезы на эту тему. Первая и наиболее очевидная состоит в том, что пастухи и кочев­ники переходили на молочную пищу, чтобы разнообразить свое убогое питание на пастбищах. Во-вторых, переход на молочную диету мог стимулироваться недостатком солнца, и, следовательно, витамина D. Витамин D вырабатывает­ся под воздействием солнечных лучей но, кроме того, им богато молоко. Основой для этой гипотезы послужил тот факт, что сырое молоко больше пьют в Северной Европе, тогда как жители Средиземноморья предпочитают сыры. Третья причина характерна для засушливых районов, где молоко могло быть дополнительным источником жидко­сти. Например, много молока потребляют бедуины и туа­реги Сахары.

Два биолога собрали сведения о потреблении молока у 62 народов и народностей, чтобы найти статистическое подтверждение этим гипотезам. Они не обнаружили чет­кой корреляции между потреблением молока и широтой местности, или особенностями ландшафта, что снижает вероятность второй и третьей гипотез. Но потребление молока существенно возрастало у тех народов, чьи предки были скотоводами, как, например,

народ тутси в централь­ной Африке, фуланы из западной Африки, народы пустынь (бедуины и туареги), ирландцы, чехи и испанцы, — у всех этих народов практически нет ничего общего за исключе­нием того, что их предки пасли отары овец, стада коров, или держали коз. Эти народы являются чемпионами в по­треблении молока на душу населения (Holden С., Mace R. 1997. Phylogenetic analysis of the evolution of lactose digestion in adults. Human Biology 69: 605-628).

Есть свидетельства в пользу того, что эти народы снача­ла научились скотоводству, а потом уже пристрастились к молочной диете. Сомнительно, чтобы они перешли к ското­водству из-за генетической предрасположенности к потре­блению молока. Это важное открытие, показывающее, как культурно-социальные изменения в обществе ведут к генети­ческим изменениям. Гены могут включаться и выключаться под влиянием волевых решений индивидуума. Перейдя к скотоводству, люди самостоятельно создали новый эволюци­онный тренд. Это звучит почти так же, как эволюционные ереси ламаркистов о том, что кузнец, нарастивший бицепсы тяжелым трудом, может передать этот признак своему сыну по наследству. Это, конечно, не так. И все же следует при­знать, что смена образа жизни создает эволюционный прес­синг на геном, результатом которого становится генетиче­ское разнообразие популяций нашего вида.

Хромосома 14 Бессмертие

Мы рождаемся и умираем, но геном бессмертен. Заглянув в прошлое, вы увидите непрерываемую цепь 50 млрд поко­лений, растянувшихся на 4 млрд лет эволюции жизни на Земле. Древнейшие гены первых живых организмов все еще работают в наших клетках. Не было ни одного разрыва или фатальной ошибки в цепи жизни. Но бессмертие в про­шлом, как скажет вам любой биржевой брокер, не гаранти­рует бессмертия в будущем.

Предком не так то просто стать. На страже стоит есте­ственный отбор и отсеивает все слабые звенья цепи. Если бы это было не так, эволюция утратила бы свою адаптивную прогрессивность. Если человечество проживет еще милли­он лет, генетического следа многих из тех, кто живет сегод­ня, не будет в будущем. Ряд генетических ветвей усохнут и сломаются, не оставив потомков. Когда-нибудь человек как вид может исчезнуть с лица Земли. Большинство видов на Земле существовали не более 10 млн лет, и многие не оста­вили после себя никаких дочерних видов. Нашему виду уже около 5 млн лет, и никаких новых видов людей от нас пока не произошло. Если человечество погибнет, то все наши гены исчезнут и никогда больше не повторятся. Но пока существу­ет жизнь на Земле, у всех живых организмов будут родители и предки, уходящие беспрерывной цепью вглубь времен к са­мому первому организму, появившемуся на нашей планете.

Но если геном бессмертен, почему умирает тело? Четыре миллиарда лет не затерли «текст» генома (во многом благо­даря тому, что он записан в цифровой форме), но каждый

год жизни делает наше тело менее гибким и подвижным. Менее 50 циклов делений хватает для того, чтобы опло­дотворенная клетка превратилась в организм, и еще 100 циклов делений обеспечивают регенерацию кожи и орга­нов у взрослого человека в течение всей его жизни. Есть старая сказка о восточном императоре, который решил одарить ученого математика за услугу всем, что тот поже­лает. Математик попросил положить на первую клеточку шахматной доски одно зернышко риса, на вторую — два, на третью — четыре, на четвертую — восемь и т.д. Императору показалось, что он легко рассчитается с мудрецом, но для заполнения 64 клеток ему понадобилось бы около 20 мил­лионов миллионов миллионов миллионов зернышек риса. Несмотря на все богатства императора, задача оказалась не­выполнимой. Так же и с клетками тела человека. Яйцеклетка делится один раз, затем каждая дочерняя клетка делится опять и т.д. На 47-м цикле деления тело будет состоять бо­лее чем из 100 триллионов клеток. Поскольку многие клет­ки органов скоро прекращают делиться, для наполнения тела необходимым количеством клеток требуется около 50 циклов делений. Однако некоторые клетки продолжают делиться всю жизнь, обеспечивая регенерацию тканей и органов. В течение жизни человека такие клетки проходят более сотни циклов деления, но потом умирают. Сотни опе­раций копирования вымарывают «текст» генома. Но ведь мы только что сказали, что 50 млрд операций копирования за всю историю жизни на Земле не испортили «текст» са­мых первых генов. В чем же разница?

По крайней мере часть ответа на этот вопрос кроется в хромосоме 14 в виде гена ТЕР. Продуктом этого гена явля­ется белок, который входит в состав одной из самых удиви­тельных биохимических машин — теломеразы. Отсутствие теломеразы в клетках ведет к старению. Добавление тело­меразы делает некоторые клетки бессмертными.

История началась в 1972 году с подачи одного из перво­открывателей структуры ДНК — Джеймса Уотсона (James Watson). Уотсон заметил, что белковая машина копирова­ния ДНК, называемая полимеразой, не может начать счи­тывание ДНК с самого начала. Молекуле полимеразы сна­чала нужно прикрепиться к цепи ДНК, в результате какая- та часть нуклеотидов оказывается за активным центром полимеразы и не копируется. Каждый раз скопированный текст становится чуть короче оригинала. Представьте себе

копировальную машину, которая обеспечивает иде­альное качество, но всегда начинает копирование текста со второй строки и заканчивает на предпоследней строке. Единственный способ справиться с такой ненормальной машиной — это заполнить первую и последнюю строки бес­смысленными повторами букв, которые не жалко потерять. Именно так и поступают хромосомы. Каждая хромосома представляет собой длинную страницу текста, который ко­пируется полимеразой полностью, за исключением самого начала и самого конца. Поэтому на своих концах хромосо­мы содержат бессмысленный текст более чем из тысячи по­второв «фразы» TTAGGG. Эти повторяющиеся фрагменты ДНК называются теломерами. Благодаря наличию теломер на концах хромосомы неуклюжесть полимеразы не приво­дит к потере жизненно важной информации. Как металли­ческий наконечник на конце шнурка, теломеры предохра­няют хромосому от изнашивания.

Но каждый раз после копирования хромосомы число те­ломер на концах уменьшается. После снятия сотни копий хромосома становится настолько короткой, что под угро­зой оказываются важные гены. В среднем теломерные кон­цы хромосомы уменьшаются на 31 «букву» в год, но в тканях с высокой скоростью деления концы хромосом «сгорают» значительно быстрее. Вот почему клетки стареют и умира­ют к определенному возрасту. Возможно, по этой же причи­не стареет и наше тело, хотя по данному вопросу между уче­ными продолжаются жаркие споры. К восьмидесяти годам на концах хромосом остается в среднем ⁵/₈ от числа тело- мер, которые были при роясдении (Slagboom P. Е., Droog S., Boomsma D. I. 1994. Genetic determination of telomere size in humans: a twin study of three age groups. American Journal of Human Genetics 55: 876-882).

Но почему гены не теряются в яйцеклетках и спермато­зоидах, прародителях всех остальных клеток организма? В этих клетках неустанно работает теломераза, наращива­ния горящие концы хромосомы за счет добавления новых теломер. Теломераза, обнаруженная в 1984 году Кэролом Грейдером (Carol Greider) и Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn), оказалась затейливым созданием. Это соедине­ние содержит в себе молекулу РНК, которая используется в качестве шаблона для копирования теломер, а сам белок очень напоминает уже известную вам обратную транскрип- тазу, благодаря которой ретровирусы и транспозоны при­умножают свое число (см. главу 9). Одни считают теломера- зу предшественницей всех ретровирусов и транспозонов, исходной системой копирования РНК в ДНК. Другие рас­сматривают теломеразу как реликт РНК-овой эпохи жизни на Земле — первый организм, в основе которого лежал ком­плекс из молекул РНК и белка (Lingner J. et al. 1997. Reverse transcriptase motifs in the catalytic subunit of telome-rase. Science 276: 561-567).

Еще следует отметить одну интересную особенность: «фраза» TTAGGG, которая повторяется несколько тысяч раз на концах хромосом, совершенно одинакова у всех мле­копитающих. Более того, она одинакова у всех животных и грибов, начиная от простейшей трипаносомы, вызыва­ющей сонную болезнь, или плесени Neurospora. У растений эта «фраза» отличается лишь дополнительной буквой Т в начале: TTTAGGG. Совпадение не случайно. Теломераза ис­пользовалась еще у самых древних организмов, и шаблон­ная РНК с тех пор почти не изменилась. Интересный факт, у реснитчатых простейших — шустрых инфузорий, покры­тых пропеллерами ресничек, — для теломеразы исполь­зуется несколько иной текст: TTTTGGGG или TTGGGG. Другая особенность реснитчатых простейших состоит в варьировании генетического кода, постоянного для всех остальных организмов. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, что инфузории выпадают из общего ствола жизни. Мое личное мнение состоит в том, что они произошли от самых первых форм жизни, возможно, еще до появления бактерий. Вполне вероятно, что инфузории

являются живыми ископаемыми, произошедшими непо­средственно от Луки — общего предка всех живых организ­мов. Хотя, соглашусь, за этой версией пока нет эксперимен­тально подтвержденных фактов (Clark М. S., Wall W.J. 1996. Chromosomes: the complex code. Chapman and Hall, London).

Как это не иронично, но теломераза была выделена и хорошо изучена не у человека, а как раз у инфузорий. Нам до сих пор не известно, какие белки объединяются вместе в составе теломеразы у человека. Вполне вероятно, что те­ломераза млекопитающих может сильно отличаться от те­ломеразы инфузорий. Некоторые скептики называют тело- меразу «мифическим ферментом», поскольку ее так трудно выделить из клеток человека. У инфузорий, хранящих свои гены на тысячах маленьких хромосом, на концах каждой из которых расположены теломеразы, выделить этот фермент значительно проще. Ген теломеразы млекопитающих был впервые найден канадскими учеными в базе данных генов мыши но аналогии с геном инфузорий. Затем уже похожий ген был обнаружен в геноме человека. Группа японских уче­ных определила место гена теломеразы на хромосоме 14. Гену было присвоено имя ТЕР-i, что означает первый тело- меразный белок (first telomerase-associated protein). Хотя этот белок действительно является необходимой составной частью теломеразы, похоже, что обратная транскриптазная активность восстановления концов хромосом связана не с ним. Уже найден подходящий кандидат на эту роль, но на­хождение гена на хромосомах человека на момент написа­ния этой книги еще не было установлено (Harrington L. et al. 1997. A mammalian telomerase-associated protein. Science 275:973-977: Saito T. et al. 1997. Comparative gene-mapping of the human and mouse TEP-i genes, which encode one protein component of telomerases. Genomics 46: 46-50).