Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Бактерии отделились от более сложных организмов примерно 2 миллиарда лет назад8. Поэтому, хотя мы все-таки обнаруживаем рРНК-гены у этих наших одноклеточных родичей (очень дальних), эти гены сильно отличаются от наших. Оказывается, это очень хорошо! Некоторые из наиболее распространенных и наиболее успешно действующих антибиотиков работают благодаря ингибированию бактериальных рибосом9. В числе этих препаратов — тетрациклин и эритромицин. Они нарушают деятельность бактериальных рибосом, но не человеческих. Мы сегодня так привыкли использовать антибиотики, что подчас забываем, какую важную роль они сыграли в развитии медицины. Начиная с момента своего триумфального появления в 1940-е годы, антибиотики сохранили жизни миллионов людей. И многих из них удалось спасти благодаря тому, что у разных видов по-разному устроено то, что пуристы назвали бы мусорной ДНК. Не правда ли, забавно?

Мы зависим от тех, кто нас захватил

Еще забавнее то, что каждый из нас колонизирован организмами, появившимися (в эволюционном смысле), вероятно, примерно тогда же, когда наши прародители отделились от предков современных бактерий. Собственно, «колонизирован» — это еще мягко сказано. И наше выживание, и выживание всех других многоклеточных на Земле, от травы до зебр, от китов до червей, в огромной мере зависит от этой колонизации. От нее зависит даже выживание дрожжей, тех самых, которые мы используем для приготовления хлеба и пива.

Миллиарды лет назад в клетки наших самых первых предков вторглись крошечные организмы. На этой стадии, вероятно, не существовало организмов размером более 4 клеток, да и они, эти клетки, не отличались особой специализированностью. Вместо того, чтобы начать войну друг с другом, захваченные клетки и их микроскопические захватчики пришли к компромиссу, от которого выиграли обе стороны. Так завязалась прекрасная дружба, длящаяся уже миллиарды лет.

Эти крошечные организмы постепенно превратились в важнейшие компоненты наших клеток — митохондрии. Они расположены в цитоплазме. По сути, эти субклеточные органеллы — миниатюрные генераторы, вырабатывающие энергию, которая требуется нашему организму для выполнения всех его стандартных функций. Именно митохондрии позволили нам использовать кислород для извлечения полезной энергии из пищевых продуктов. Без них мы оставались бы зловонными четырехклеточными ничтожествами, которым едва-едва хватало бы энергии хоть на что-то полезное.

Почему мы так уверены, что митохондрии — потомки микроорганизмов, некогда живших отдельно от нас? Вот одна из причин такой уверенности: у митохондрий свой собственный геном. Он куда меньше, чем «настоящий» человеческий геном, хранящийся в ядре клетки. Его длина чуть больше 16 500 пар нуклеотидных оснований: сравните с 3 миллиардами пар оснований ядерного генома. В отличие от наших хромосом, митохондриальный геном уложен в кольцевую структуру. В нем лишь 37 генов. Примечательно, что более половины из них не кодируют белки. Двадцать два гена кодируют молекулы митохондриальной тРНК10, а два гена — молекулы митохондриальной рРНК. Это позволяет митохондриям производить рибосомы, которые затем используются для создания белков по инструкциям других генов митохондриальной ДНК[34]’11.

В эволюционном смысле это кажется очень рискованной стратегией. Функционирование митохондрий невероятно важно для всего живого, а функционирование рибосом — еще важнее для функционирования митохондрий. Почему же столь важный процесс не обеспечен системой подстраховки в виде дополнительных копий рибосомных генов в наших клеточных электростанциях?

Дело в том, что митохондриальная ДНК наследуется не так, как ядерная ДНК. В ядре мы наследуем по одному набору хромосом от каждого из родителей. А вот с митохондриальным наследованием дело обстоит иначе. Мы наследуем митохондрии лишь от матери. Может показаться, что это еще более рискованный сценарий. Ведь если мы унаследуем от матери мутантный митохондриальный ген, нам не придется рассчитывать на запасной отцовский.

Но тут (конечно же) есть свои тонкости. Мы получаем от матери не одну митохондрию, а сотни тысяч (возможно, до миллиона). И они не одинаковы с генетической точки зрения, поскольку не все происходят от одной митохондрии клетки-предшественницы. Всякий раз, когда клетка делится, ее митохондрии также делятся — и передаются дочерним клеткам. Даже если в каких-то из этих митохондрий и возникнут мутации, в клетке всегда будет иметься множество других митохондрий — вполне нормальных.

Это не значит, что здесь никогда не случается никаких сбоев. Зачастую проблемы связаны с тРНК-генами митохондриальной ДНК. Это приводит к ослаблению и атрофии мышц12, потере слуха13, гипертонии14, сердечным неполадкам15. Впрочем, у разных пациентов симптомы могут существенно отличаться — даже в пределах одной и той же семьи. Наиболее вероятная причина этого в том, что симптомы, возможно, начинают возникать, лишь когда доля мутантных митохондрий в той или иной ткани достигает какого-то порогового значения. А это, скорее всего, происходит лишь на сравнительно позднем этапе жизни, становясь следствием случайного и неравномерного распределения «хороших» и «плохих» митохондрий при делении клеток.

Неужели всего этого недостаточно, чтобы показать: РНК — не какая-то бедная родственница ДНК, не «низший вид» по сравнению с белками? Тогда задумайтесь вот над чем. Несмотря на то, что ДНК может считаться олицетворением биологии, вся жизнь на Земле, видимо, произошла все-таки не от ДНК, а от РНК.

В начале была РНК (по-видимому)

ДНК — великая молекула. Она хранит в себе массу информации. Благодаря структуре ДНК (знаменитой двойной спирали) эту информацию легко копировать, при этом молекула удивительно стабильна. Но если попытаться заглянуть в далекое прошлое, когда, миллиарды лет тому назад, жизнь на Земле только зарождалась, трудно представить, что это случилось на основе ДНК-генома.

Дело в том, что ДНК великолепно умеет хранить информацию, но при этом совершенно бесполезна, когда речь заходит о создании чего-либо на базе этой информации. ДНК не в состоянии действовать как фермент, а потому не в состоянии сделать даже свою копию. Как же она могла стать исходным генетическим материалом?

Но если мы обратимся к рРНК, молекуле, которая не пользуется особой славой даже среди ученых (ну, среди большинства из них), то мы придем к некоему озарению. Молекула рРНК содержит информацию о нуклеотидной последовательности, однако одновременно является и ферментом! Очень вероятно, что РНК могла выполнять в прошлом целый ряд ферментативных функций, а это могло привести к эволюционному развитию системы самоподдерживающейся и самораспространяющейся генетической информации.

В 2009 году вышла удивительная статья, авторы которой описывали, как они создали именно такую систему. Они генетическим путем сотворили две разновидности молекул РНК, каждая из которых могла вести себя как фермент. Когда в лабораторных условиях к смеси этих молекул добавили необходимое им сырье (в том числе отдельные РНК-основания), эти две разновидности молекул принялись делать копии друг друга. Используя существующие РНК-последовательности как матрицы для новых молекул, они производили идеальные копии. По мере того, как их снабжали сырьем, они штамповали всё новые и новые копии. Система стала самоподдерживающейся. Исследователи пошли еще дальше. Они смешали большее число разновидностей РНК, каждая из которых обладала ферментативным действием. Запустив эксперимент, ученые обнаружили, что численность двух последовательностей быстро превысила численность всех остальных. По сути, складывалась не только самоподдерживающаяся система, но и система, способная на самостоятельный внутренний отбор. Наиболее эффективные пары молекул РНК воссоздавали себя гораздо стремительнее, чем другие пары16. А совсем недавно удалось создать разновидность ферментативной РНК, которая сама создает собственные копии (то есть ей даже не нужна для этого пара)17.

В Великобритании до сих пор можно услышать старинную пословицу «Где грязь, там и медь», означающую, что деньги можно получать из всякой дряни. Может быть, где мусор, там и жизнь?

Глава 12. Включить и усилить

«Бугатти вейрон» — самый дорогой автомобиль для езды по обычным дорогам. Стоит он всего-навсего 1 миллион 700 тысяч долларов. Трудно определить, какая машина самая дешевая. Возможно, на эту честь может претендовать «дачия сандеро»: ее цена — примерно процент от цены «вейрона». Однако у обоих транспортных средств есть много общего. В частности, оба необходимо завести, прежде чем куда-нибудь на них поехать. Если вы не запустите двигатель, у вас ничего не выйдет.