Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Когда фрагменты X-хромосомы пересаживались на другие хромосомы, иногда эти аномальные хромосомы инактивировались, а иногда — нет. Все зависело от того, какой именно фрагмент X-хромосомы передавался.

Эти данные позволили ученым сузить область поиска участка X-хромосомы, играющего ключевую роль в ее инактивации. Вполне понятно, что этот участок назвали центром X-инактивации. В 1991 году одна из научных групп сообщила, что этот участок содержит в себе ген, который ученые окрестили Xist[18]. Лишь ген Xist, находящийся на неактивной хромосоме, экспрессировал Xist-РНК5,6. Вполне логично: X-инактивация — процесс асимметричный. В каждой паре эквивалентных X-хромосом одна инактивирована, а другая — нет. Поэтому представлялось закономерным, что соответствующим процессом управляет сценарий, при котором одна хромосома экспрессирует ген, а другая — нет.

Очень большой кусок мусора

Разумеется, напрашивался следующий вопрос: как работает ген Xist? Первым делом ученые попытались спрогнозировать состав и структуру белка, который кодируется этим геном. Обычно это довольно прямолинейная процедура. Узнав структуру молекулы Xist-РНК, оставалось ввести эти данные в несложную компьютерную программу, которая и должна предсказать аминокислотную последовательность, кодируемую этим геном. Xist-РНК — штука очень длинная, около 17 тысяч нуклеотидных оснований. Каждую аминокислоту кодирует группа из трех оснований, так что 17000-нуклеотидная РНК теоретически могла бы кодировать белок из более чем 5700 аминокислот. Но оказалось, что на деле самая длинная последовательность, вроде бы кодируемая Xist-РНК, содержит чуть меньше 300 аминокислот. И это несмотря на то, что Xist-РНК прошла сплайсинг (мы описывали этот процесс в главе 2), а значит, потеряла все «мешающие» мусорные последовательности.

«Проблема» заключалась в том, что эта Xist-РНК первоначально пестрела последовательностями, которые не кодируют аминокислоты, но которые действуют как стоп-сигналы, когда начинают формироваться белковые цепочки. Представьте, что вы строите высокую башню из «Лего». Она растет себе ввысь, пока вам не дают элемент крыши, в верхней части которого нет выступов или отверстий для закрепления следующего фрагмента. Когда вы поставите этот элемент, ваша башня больше не сможет увеличиваться.

Ученые задумались. Если Xist все же кодирует белок, тогда зачем же клетка с такими усилиями создает РНК длиной 17 тысяч нуклеотидных оснований[19] лишь для того, чтобы производить белок, который мог бы кодироваться РНК примерно в 20 раз меньшей длины? Генетики довольно скоро сообразили: тут происходит нечто иное и весьма странное.

ДНК находится в ядре клетки. Она копируется, образуя РНК. Затем эта РНК отправляется за пределы ядра, в те структуры, где действует как матрица для сборки белков. Но анализ показал, что Xist-РНК не покидает ядра. Она не кодирует никакой белок, даже короткий7,8.

Xist-РНК стала одним из первых примеров молекул РНК, действующих «самостоятельно», а не как носитель информации о белке. Это отличная демонстрация того, что мусорная ДНК (то есть ДНК, не приводящая к синтезу белка) отнюдь не бесполезный хлам. Она чрезвычайно важна сама по себе, поскольку без нее не может происходить X-инактивация.

Странности Xist-РНК не ограничиваются тем, что она не покидает ядра. Она даже не отделяется от X-хромосомы, которая ее вырабатывает. По сути, она прикрепляется к неактивной X-хромосоме и затем распространяется по ней. Вырабатывается все больше и больше Xist-РНК, и эта РНК постепенно покрывает неактивную X-хромосому. Этот процесс почему-то называется закрашиванием. Никто пока толком не знает физических основ этого процесса, в ходе которого Xist-РНК ползет вдоль хромосомы, подобно виноградной лозе, стремительно карабкающейся по стене со скоростью одна миля в минуту. Со времени этого открытия прошло больше 20 лет, но мы по-прежнему теряемся в догадках, как же все происходит. Мы точно знаем, что дело тут не в самой нуклеотидной последовательности X-хромосомы. Если центр X-инактивации переносится на одну из аутосом клетки, эта аутосома может инактивироваться, как если бы она была X-хромосомой9.

Итак, Xist требуется для начала X-инактивации. Но у него есть помощники, поддерживающие этот процесс и делающие его более интенсивным. «Закрашивая» X-хромосому, Xist действует как участок, к которому могут прикрепляться белки ядра. Они соединяются с инактивируемой X-хромосомой и привлекают все новые и новые белки, что еще сильнее глушит экспрессию. Единственным геном, который не покрывается Xist-РНК и этими белками, остается сам ген Xist. Так он становится маяком экспрессии во мраке инактивированной X-хромосомы10.

Слева направо, справа налево

Итак, мы столкнулись с ситуацией, когда кусок «мусорной» ДНК (то есть фрагмент, не кодирующий белки) играет жизненно важную роль для функционирования организмов половины человеческих существ. Недавно ученые обнаружили, что для X-инактивации требуется по меньшей мере еще один фрагмент мусорной ДНК. Тут может возникнуть путаница: он кодируется в том же самом месте X-хромосомы, что и Xist. Как мы знаем, молекула ДНК состоит из двух нитей (вспомним знаменитое изображение двойной спирали). Клеточная аппаратура, копирующая ДНК для образования РНК, всегда читает ДНК в одном направлении, то есть (назовем это так) от начала до конца определенной ДНК-последовательности. Однако две нити ДНК идут «в противоположных направлениях» друг относительно друга, словно две линии фуникулера на старинных морских курортах и горнолыжных базах. А значит, участок ДНК может нести два набора информации, просто эта информация записана «в противоположных направлениях».

Возьмите, к примеру, слово ТОРГ, которое мы получаем, читая буквы слева направо. Те же самые буквы можно прочесть справа налево. Тогда мы получим слово ГРОТ. Буквы одни и те же, но они дают другое слово с другим значением.

Фрагмент мусорной ДНК, необходимый для X-инактивации в придачу к Xist, носит остроумное название Tsix (то есть Xist, записанный задом наперед). Он находится в той же области ДНК, что и Xist, но на противоположной нити. Tsix кодирует РНК длиной 40 тысяч оснований (она более чем вдвое длиннее по сравнению с Xist-РНК). Подобно Xist-РНК, Tsix-РНК никогда не покидает ядра.

Хотя Tsix и Xist кодируются в одной и той же части X-хромосомы, они не экспрессируются вместе. Если X-хромосома экспрессирует ген Tsix, это препятствует той же самой хромосоме экспрессировать ген Xist. А значит, Tsix должен экспрессироваться активной X-хромосомой, в отличие от Xist, который всегда экспрессируется неактивной.

Эта взаимоисключающая экспрессия Tsix и Xist имеет ключевое значение на одной из стадий раннего развития организма. X-хромосома яйцеклетки утрачивает все белковые маркеры, которые показывают, что она инактивирована (если речь идет об инактивированной версии), а X-хромосома сперматозоида вообще никогда не инактивируется. После слияния яйцеклетки со сперматозоидом и 6-7 циклов деления получится эмбрион, состоящий примерно из сотни клеток. На этой стадии каждая клетка в женском эмбрионе отключает одну из своих X-хромосом случайным образом. Для этого требуется мимолетное, но интенсивное физическое взаимодействие между парой X-хромосом клетки. Всего часа на два эти хромосомы приходят в физическое соприкосновение. В результате одна из них оказывается инактивированной. Соприкосновение происходит лишь на небольшом участке X-хромосом — в центре X-инактивации, который кодирует и Xist-РНК, и Tsix-РНК11.

Момент, длящийся вечно

Это праматерь всех мимолетных связей. В эти два часа возникают хромосомные решения, которых организм будет придерживаться всю оставшуюся жизнь. Не только в ходе развития плода, но и вплоть до самой смерти женщины, даже если эта смерть наступит через 100 с лишним лет. Эти решения затрагивают не сотню клеток, а триллионы — все клетки, которые появятся в результате их деления. Во всех дочерних клетках будет инактивироваться одна и та же X-хромосома.

Пока еще не совсем ясно, что же происходит в эти часы интимной связи X-хромосом на стадии раннего развития. Существующая ныне теория утверждает, что идет перераспределение мусорной РНК между этими двумя хромосомами, в результате чего одна из них наделяется всей Xist-РНК и становится неактивной X-хромосомой. Возможно (мы пока не знаем механизмов), одна из хромосом экспрессирует либо чуть больше, либо чуть меньше Xist или какого-то другого ключевого компонента. Но мы точно знаем, что процесс начинается, как только уровни содержания Tsix в хромосомах станут падать. Возможно, после падения этих уровней ниже какого-то критического порогового значения Xist может начать экспрессироваться одной из X-хромосом.