Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Рис. 6.3. ДНК (сплошная черная полоса) обернута вокруг наборов из восьми гистонов (в каждом наборе — по два гистона четырех типов).

Рис. 6.4. Слева: стандартный октамер из гистонов, встречающийся в большинстве участков генома. Справа: октамер центромерических участков ДНК. Одну из стандартных пар гистонов здесь заменяет пара специализированных гистонов центромеры — CENP-A (обозначены полосатыми шариками).

CENP-A в этих тысячах октамеров, вокруг которых обвиваются центромеры, дает возможность веретену деления за что-то уцепиться, когда оно пытается растащить хромосомы в разные стороны. Встраивание CENP-A в октамеры приводит, в частности, к тому, что центромерические участки ДНК становятся жестче и прочнее12. Что проще разломить — кусок желе или длинный леденец? Ясно, что увеличение жесткости облегчает работу веретена деления.

Но мы по-прежнему возвращаемся к одной и той же проблеме. Почему CENP-A встраивается в октамеры близ центромеры, а не в расположенные в других участках ДНК? Дело тут не в самой ДНК-последовательности. Другие области нашего генома также содержат мусорную ДНК, напоминающую ДНК-последовательности центромер, однако CENP-A почему-то к этим областям не прикрепляется13. CENP-A всегда находится лишь возле центромер. Более того, в каком-то смысле именно присутствие CENP-A позволяет определить, центромера перед нами или нет. Как же человеческие клетки в ходе эволюции сумели использовать изначально нестабильную ситуацию для того, чтобы добиться совершеннейшей генетической стабильности при клеточном делении?

Ответить на этот вопрос поможет идея своего рода самосева. Оказавшись на ДНК, белок CENP-A продолжает контролировать поддержание своего расположения в определенном месте и передачу этого позиционного свойства всем дочерним клеткам14. Этот процесс не зависит от ДНК-последовательности. Похоже, он зависит от небольших химических модификаций гистонных октамеров.

Гистоны в этих октамерах могут модифицироваться огромным количеством разнообразных способов. Белки представляют собой различные комбинации аминокислот (всего таких аминокислот двадцать), и многие из аминокислот можно модифицировать. Кроме того, сам белок тоже можно модифицировать различнейшими путями. К гистонам это относится точно так же, как и ко всем прочим белкам.

Что касается центромер человека, то здесь октамеры, содержащие CENP-A, не являются абсолютными монополистами. Напротив, такие октамерные блоки чередуются с октамерными блоками, содержащими стандартный гистон (см. рис. 6.5). Стандартные октамеры несут в себе весьма характерную комбинацию химических модификаций. Это, в свою очередь, привлекает другие белки, которые связываются с ними. Функция этих белков отчасти как раз и состоит, по сути, в поддержании существования таких модификаций15. Благодаря всему этому октамеры, содержащие CENP-A, остаются локализованными на одном и том же участке генома. А значит, они формируются лишь в одном месте хромосомы. Возможно, именно поэтому последовательность мусорной ДНК центромер так отличается у разных видов, хоть и является «географическим каркасом» одного из основополагающих для любой клетки процессов.

Рис. 6.5. Чередование стандартных и CENP-A-содержащих гистонных октамеров близ центромер. Для простоты показаны лишь небольшие группы октамеров, тогда как в клетке их тысячи. Каждый кружок изображает один октамер.

Химические модификации центромеры, кроме того, обеспечивают «молчание» соответствующего участка генома. Хотя недавние исследования позволяют предположить, что в некоторых центромерических областях может происходить слабая экспрессия РНК, пока неясно, имеет ли она какую-либо функциональную значимость. По сути, у ДНК центромер нет никакой реальной функции — это просто генетический мусор, зоны, к которым могут прикрепляться CENP-A и все сопутствующие ему белки, только и всего. Больше клетке от этих последовательностей ничего не требуется. Даже хорошо, что у них нет других функций, ведь их выполнению могло бы мешать связывание октамеров, содержащих CENP-A, с другими генетическими компонентами. Вот почему эта область ДНК так сильно изменилась в ходе эволюции. Штука в том, что конкретный состав ДНК-последовательности в данном случае не очень-то важен.

Из ничего не выйдет ничего

Во всех этих рассуждениях недостает одного звена. Откуда CENP-A знает, к какой области мусорной ДНК цепляться? Мы ведь постоянно хотим выяснить, с чего начинается тот или иной процесс. Но такой ход мысли в данном случае неизбежно заведет нас в тупик. Давайте обратимся к творчеству писателя и либреттиста Оскара Хаммерстайна. Главные герои его знаменитой пьесы «Звуки музыки» капитан фон Трапп и Мария поют: «Из ничего не выйдет ничего. И не надейтесь»16.

Они совершенно правы.

Сама по себе ДНК человека («голая» ДНК) — молекула абсолютно нефункциональная. Иными словами, она ничего не делает. И уж явно не в состоянии управлять производством нового человеческого существа. Ей нужна масса дополнительной информации (например, из гистонов и их модификаций). Кроме того, ей нужно находиться внутри функционирующей клетки. Когда продублированные хромосомы разделяются и затем растаскиваются на противоположные края клетки, каждая из них несет на себе некоторые гистонные октамеры, занимающие нужное положение и имеющие нужные модификации. Таких октамеров вполне достаточно, чтобы они стали исходной областью, на основе которой в дочерних клетках будет воссоздаваться полная картина гистонов и их модификаций. Это касается не только стандартных гистонных октамеров, но и CENP-A-содержащих. Так передаются инструкции о том, где должны формироваться центромеры. Для этих «нестандартных» октамеров участки белка CENP-A, отличающиеся по аминокислотному составу от стандартных гистонов, играют важную роль в привлечении необходимых белков17.

Эта информация, хранящаяся в виде химических модификаций, остается неизменной даже при создании яйцеклеток и сперматозоидов18. Октамеры, содержащие CENP-A, остаются на прежнем месте, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются, образуя единую клетку, которая в конечном счете породит все триллионы клеток тела нового человека. Наши центромеры передавались из поколения в поколение на протяжении всей эволюции человека — и задолго до этого, через наших дальних эволюционных предков. При этом главным фактором являлось положение белков, а не конкретная ДНК-последовательность, к которой они прикреплялись.

Существуют препараты, нарушающие работу веретена деления, которое растаскивает продублированные хромосомы на противоположные края клеток. Веретено деления состоит из большого количества белков, и они сходятся друг с другом лишь в тот момент, когда клетка готова к растаскиванию реплицированных хромосом. Препарат паклитаксел делает веретено деления чересчур стабильным, так что этот комплекс белков не может распасться, когда он больше не нужен19.

Почему это плохо для клетки? Представим себе пожарную машину с раздвижной лестницей. Отлично, когда лестница раздвигается, помогая вызволить людей с верхних этажей горящего здания. Но если пожарная команда не сложит лестницу после пожара и так и поедет с места катастрофы, на дороге наверняка случатся большие неприятности. То же самое происходит и с клетками, обработанными паклитакселом. Клеточные системы поймут, что веретено деления не прошло должной деактивации. Это станет причиной разрушения клетки. В Великобритании паклитаксел разрешено применять при лечении различных онкологических заболеваний, в том числе немелкоклеточного рака легких, рака груди, рака яичников20.

Используя препарат, мешающий клеткам делиться, можно уничтожать раковые клетки быстрее, чем здоровые (которые размножаются медленнее). Но мы знаем, что аномальное разделение хромосом само по себе является признаком многих форм рака.

Количество имеет значение

Если разделение хромосом пойдет неправильно, одна дочерняя клетка может унаследовать и «исходную» хромосому, и ее дубликат. Другая же «дочка» не получит в наследство никаких хромосом. Иными словами, первая дочерняя клетка получит лишнюю хромосому, а у второй будет на одну меньше, чем нужно. Такая ситуация, когда количество хромосом не то, какое следует, называется анеуплоидией. Термин построен на основе греческих слов, означающих «не», «хороший» и «кратный» (в словах типа «двукратный», «трехкратный» и т.п.). Иными словами, анеуплоидия — несбалансированное геномное состояние.

Как ни удивительно, около 90% плотных (солидных) опухолей содержат анеуплоидные клетки, то есть клетки с «неправильным» числом хромосом21. Картина анеуплоидии может оказаться весьма запутанной. Вероятно, если процесс разделения хромосом идет не так, как надо, работает фактор случайности. В единичной раковой клетке может находиться четыре копии одной хромосомы, две копии другой и одна копия третьей — или же какая-то иная хромосомная комбинация. Из-за такой вариативности очень трудно определить, является ли сама анеуплоидия первопричиной ракового процесса. Может быть, она служит лишь невинным маркером, как бы указывающим на раковый характер клетки? Вероятно, тут имеет место целый спектр вариантов, поскольку количество аномальных хромосом и их распределение во многом случайны. В некоторых раковых клетках могут появляться хромосомные комбинации, побуждающие клетку делиться быстрее. В других существуют комбинации, оказывающие противоположное действие или даже запускающие систему самоубийства раковой клетки. А в некоторых клетках комбинация хромосом может оказаться совершенно нейтральной, то есть вообще не производить никакого воздействия22.