Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

«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.

С нашими генами, кодирующими белки, такая же история. Пока их не активируют и не скопируют на информационную РНК, они не будут ничего делать, оставаясь просто инертными фрагментами ДНК, точно так же, как роскошный «вейрон» остается лишь грудой металла и аксессуаров, пока вы не повернете ключ зажигания. Включение гена зависит от участка мусорной ДНК, называемого промотором. Промотор располагается в начале каждого гена, кодирующего белок.

Если представить себе автомобиль традиционного типа, то промотор — это скважина для ключа зажигания. Сам ключ — это комплекс белков, которые соединяются с промотором. Эти белки называются транскрипционными факторами. Они, в свою очередь, связываются с ферментом, который создает информационные РНК, содержащие копии гена. Такая последовательность событий как раз и вызывает экспрессию гена (и управляет ею).

Сравнительно просто выявить промоторы, анализируя ДНК-последовательности. Промоторы всегда встречаются непосредственно перед областями, кодирующими белки. Кроме того, обычно они содержат характерные ДНК-мотивы. Дело в том, что транскрипционные факторы — особый тип белков, способных распознавать определенные ДНК-последовательности и связываться с ними. При анализе эпигенетических модификаций промоторов мы можем выявить некую устойчивую картину. У промоторов имеются определенные наборы эпигенетических модификаций, в зависимости от того, активен ли ген в клетке. Эти эпигенетические модификации — немаловажные регуляторы процессов связывания транскрипционных факторов. Некоторые модификации привлекают транскрипционные факторы и соответствующие ферменты, что приводит к экспрессии гена. Другие же препятствуют связыванию транскрипционных факторов, что очень затрудняет включение гена.

Ученые могут скопировать промотор и встроить его в какой-то другой участок генома или даже в геном другого организма. Такие эксперименты подтвердили, что промоторы обычно действуют, располагаясь непосредственно перед геном. Удалось показать также, что промотор должен «указывать» в нужном направлении. Если вы вставите промотирующую последовательность перед геном, но «задом наперед», она не будет работать. Это как если бы вы вверх ногами вставили ключ в замок зажигания. Действие промоторов зависит от их ориентации.

Промоторы толком не различают гены, которые они контролируют. Они просто включают ближайший ген, если находятся от него на достаточно небольшом расстоянии и «указывают» в нужном направлении. Это позволяет ученым использовать промоторы для управления экспрессией каждого интересующего их гена. Очень удобно для экспериментаторов. Но есть у этих процессов и обратная сторона. При некоторых формах рака основная проблема (на молекулярном уровне) сводится к тому, что ДНК наших хромосом «запутывается», и промотор запускает экспрессию не того гена. Для онкологических заболеваний речь идет о гене, который увеличивает скорость размножения клеток. Впервые такое явление обнаружили, исследуя разновидность рака крови, именуемую лимфомой Бёркитта (вероятно, она по-прежнему остается самым известным примером данного процесса). При этом недуге сильный промотор, находящийся на хромосоме 14, начинает располагаться «выше» гена хромосомы 8, кодирующего белок, способный существенно ускорять размножение клеток[35],1. Последствия могут быть катастрофическими. Белые кровяные тельца (лейкоциты), несущие в себе такую перестановку, растут и делятся очень быстро, в результате чего их доля в крови неуклонно увеличивается. При ранней диагностике заболевания можно вылечить свыше половины пациентов, хотя для этого требуется интенсивная химиотерапия2. У тех, кому поставили диагноз слишком поздно, угасание идет ужасающе быстро, приводя к летальному исходу за какие-то недели.

В здоровых тканях различные промоторы могут проявлять активность лишь в определенных типах клеток — обычно благодаря тому, что они полагаются на транскрипционные факторы, экспрессируемые лишь некоторыми, определенными типами клеток. Кроме того, промоторы обладают различной силой. Что имеется в виду? Сильные промоторы включают гены весьма агрессивным образом, в результате порождая множество копий информационной РНК, формируемой на основе гена, кодирующего белок. Именно это происходит при лимфоме Бёркитта. Слабые промоторы меньше влияют на уровень генетической экспрессии. Сила промотора в клетках млекопитающих зависит от множества параметров и особенностей этих клеток, в том числе от ДНК-последовательности, но также от наличия и доступности транскрипционных факторов, от эпигенетических модификаций и, вероятно, от целого ряда других переменных, которые мы пока не знаем.

Управляя плавно меняющимся откликом

Каждый конкретный промотор в каждом конкретном типе клеток вызывает относительно постоянный уровень генетической экспрессии — по крайней мере, в экспериментальных системах. Однако при обычных обстоятельствах экспрессия генов — явление не пороговое. Гены могут экспрессироваться в разной степени. Сравним это с возможностью придавать машине любую скорость от одной мили в час до максимальной (больше 250 миль в час для «вейрона», меньше половины этой величины для «сандеро»). В клетках такая гибкость достигается благодаря целому ряду взаимодействующих процессов, в том числе и эпигенетических. Однако на нее влияет и еще одна область мусорной ДНК — так называемый энхансер.

По сравнению с промоторами энхансеры — штука очень туманная. Обычно они представляют собой последовательности длиной в несколько сотен пар нуклеотидных оснований, однако такие области почти невозможно идентифицировать лишь при помощи анализа ДНК-последовательности3. Они просто слишком разнообразны. Выявление энхансеров затруднено еще и тем, что они не обязательно функционируют постоянно. Так, удалось выявить набор латентных энхансеров, который начинает регуляцию генетической экспрессии, лишь когда сами эти энхансеры каким-то образом активируются неким стимулом. А значит, вполне возможно, что в геномной последовательности не существует каких-то изначально заданных областей-энхансеров со строго определенной ролью.

Воспалительная реакция — первый рубеж обороны организма при защите, к примеру, от бактериальных инфекций. Клетки, расположенные близ места вторжения захватчиков, выделяют химические вещества и сигнальные молекулы, которые создают для чужаков весьма враждебную среду. Это как если бы срабатывание домашней сигнализации вызывало целый ливень горячей и вонючей жидкости, обрушивающийся на комнату, куда проник незадачливый взломщик.

Ученые, исследующие воспалительный отклик организма, одними из первых сумели показать, что ДНК-последовательности могут при необходимости становиться энхансерами. Выяснилось, что как только воспалительный стимул исчезает, энхансеры не возвращаются в инертное состояние. Они остаются энхансерами, готовыми снова повысить уровень экспрессии соответствующих генов, если клетки вновь встретятся с этим воспалительным стимулом4. По-видимому, не случайно эти энхансеры регулируют деятельность генов, вовлеченных в отклик организма на вторжение чужаков. Такая память, проявляемая в виде экспрессии генов, может позволять организму как можно эффективнее и быстрее побеждать инфекцию. Это большое преимущество.

Эпигенетика и энхансеры: интенсивное общение

Итак, гены могут сохранять память даже после исчезновения стимула. Каким образом? В частности, благодаря эпигенетике. Эпигенетические модификации способны облегчить последующую активацию генов, поддерживая их в сравнительно «неподавленном» состоянии. Это как с врачом, который не уехал в отпуск, а дежурит и ждет вызова. В вышеописанном исследовании ученые показали, что определенные гистонные модификации оставались на «новых» энхансерах и после исчезновения воспалительного стимула, тем самым поддерживая эти энхансеры в состоянии боевой готовности.

Вообще говоря, мы начинаем чуть больше продвигаться в идентификации энхансеров по эпигенетическим модификациям, которые не зависят от соответствующих ДНК-последова-тельностей. Эти модификации могут использоваться как функциональные маркеры, показывающие, как клетки определенного типа используют данный фрагмент ДНК. Удалось показать также, что эти модификации порой меняются при онкологических заболеваниях, создавая различные картины генетической экспрессии, а те могут вносить свой вклад в клеточные трансформации, которые, в свою очередь, как раз и приводят к раковым процессам5.