Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Останавливая распространение

В процессе эволюции наши клетки выработали любопытный способ предотвращения этого нежелательного явления. Подобно тому, как пожарные команды вырубают рощи или взрывают здания, чтобы остановить огненную стихию, наш геном иногда лишает топлива эпигенетические машины. Мусорная ДНК, служащая изолятором между инактивированными и активными областями генома, утрачивает свои гистоны. А если не будет белков-гистонов, то не будет и эпигенетических гистонных модификаций. Без модификаций не будет распространяться эпигенетическая активность. Это не позволяет репрессивным модификациям добираться до активных генов, а кроме того, предотвращает и обратный эффект. Процесс этот схематически показан на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Вверху: картины репрессивной модификации распространяются от одного гена к соседнему. Внизу: нехватка гистонов в изолирующих областях между двумя генами предотвращает распространение репрессивных эпигенетических модификаций, поэтому ген, изображенный справа, не подвергается аномальному отключению.

Но поскольку разные клетки требуют изолирования разных областей (в конце концов, мы же хотим, чтобы кератин экспрессировался в клетках, производящих волосы), можно заключить, что самой по себе ДНК-последовательности еще недостаточно для формирования изолятора. Подобные изоляторы (инсуляторы) создаются путем комплексных и зависящих от конкретной ситуации взаимодействий между геномом и комбинациями белков, экспрессируемых клеткой в данный момент.

Один из самых важных таких белков экспрессируется почти повсеместно. Будем называть его 11-FINGER[41]. Это крупный высококонсервативный белок с характерной структурой. Складываясь в трех измерениях, он образует 11 пальцеобразных отростков (finger — от англ, палец), торчащих из него. Каждый из этих 11 пальцев может распознавать определенную ДНК-последовательность, однако не все пальцы умеют распознавать одну и ту же.

Представьте себе одиннадцатипалого пианиста. На нем шерстяные перчатки. Шерсть на каждом перчаточном пальце окрашена в один из четырех цветов. Каждая клавиша пианино также окрашена в один из четырех цветов, причем распределение окраски случайно. Правила таковы: пианист может извлекать любую ноту, какую ему заблагорассудится, но всегда должен одновременно нажимать от 2 до 11 клавиш, причем цвета перчаточных пальцев и цвета клавиш должны совпадать. Похоже, тут возможно несметное количество комбинаций. А теперь представьте, что у инструмента не десятки, а тысячи клавиш.

Вот и белок 11-FINGER способен связываться со множеством различных геномных последовательностей аналогичным образом. Он может присоединяться к десяткам тысяч мест (сайтов связывания) в человеческих клетках. Он прикрепляется не только к ДНК: 11-FINGER связывается и с белками. Представьте себе, что у нашего многопалого пианиста на тыльной стороне перчаток липучки, которые могут соединяться с пушистыми шариками. Цветные пальцы молотят по клавишам, а тыльная сторона кистей понемногу покрывается шариками.

Так и обстоит дело с белком 11-FINGER. Пальцеобразные выступы связываются с ДНК, а другие поверхности белка соединяются с белками. Конкретная картина связывания будет зависеть от конкретного набора белков, экспрессируемых клеткой. Один из белков способен менять характер скручивания ДНК, что может играть важную роль в контролировании генетической экспрессии3. Другой белок добавляет определенные эпигенетические модификации4. В некоторых областях разновидности геномных «незваных гостей» служат изоляторами, которые препятствуют распространению активирующих или подавляющих эпигенетических модификаций из одной области в другую5.

Некоторые тРНК-гены могут выступать как инсуляторы. Они способны мешать процессу, в ходе которого экспрессия одного гена вызывает неподобающую экспрессию соседнего. Это еще одно преимущество обладания большим количеством тРНК-генов, показывающее, сколь экономно эволюция обычно распоряжается своим сырьем.

Схематически эти процессы показаны на рис. 13.2. Классический ген, кодирующий белок, покрыт эпигенетическими модификациями, усиливающими экспрессию этого гена. Фермент, который связывается с геном и копирует его в РНК (которая в конечном счете будет должным образом обработана для создания из нее зрелой информационной РНК), иногда может вести себя как неуправляемо катящийся поезд: начав копирование, он обычно уже не хочет останавливаться. Если поблизости окажется еще один ген, кодирующий белок, фермент может и его скопировать. Но если между генами два или больше тРНК-генов, такого не произойдет. Заметим, что тРНК-гены почти все время пребывают во включенном состоянии, поскольку они участвуют в создании всех белков. Существует фермент, копирующий тРНК-гены для создания тРНК-молекул на основе ДНК-матрицы. Однако это не тот фермент, который выполняет схожую работу, производя молекулы информационной РНК на основе классических генов, кодирующих белки. Фермент, создающий молекулы тРНК, ведет себя как здоровенный вышибала, не позволяющий другому ферменту войти и добраться до ближайшего гена. А поскольку фермент, копирующий тРНК-гены, не может связываться с классическими генами, кодирующими белки, общая генетическая экспрессия в этой области все время остается под жестким пространственным контролем6.

Рис. 13.2. Фермент, который копирует ДНК генов, кодирующих белки, в информационную РНК, связывается с отмеченным звездочкой местом в начале гена А. Если его не остановят, фермент может продолжать копирование, пока не скопирует и кодирующий белок ген В в информационную РНК (скорее всего, копирование гена В при этом совсем не требуется). тРНК-гены копируются с ДНК на действующие молекулы тРНК при помощи другого фермента. Это останавливает работу фермента, создающего информационную РНК на основе гена А, и предотвращает неправильное использование гена В.

Многие биологи очень любят подчеркивать выгоды, которые наука получила от развития технологий ДНК-секвенирования, и всегда существует искушение счесть, что большинство серьезных прорывов в этой сфере совершаются ныне благодаря высокотехнологичным молекулярным методам. На самом же деле нам очень помогают продвигаться вперед понимание основ биологии человека и логическое мышление.

Почему XX отличается от XXX

В главе 7 мы видели, что организм самок млекопитающих всегда инактивирует одну из X-хромосом в каждой из своих клеток — чтобы уровень экспрессии генов X-хромосом у них оставался равным уровню экспрессии этих генов у самцов. Если женская клетка содержит три X-хромосомы, она отключает две из них. А если в клетке лишь одна X-хромосома, она так и остается включенной.

Отсюда следует довольно очевидное предсказание. Неважно, сколько X-хромосом в клетке, поскольку X-инактивация всегда будет гарантировать, что одна из них останется функционально активной. А следовательно, пока у человека содержится хотя бы одна X-хромосома в каждой клетке, этот человек будет совершенно нормальным и здоровым.

На самом деле это не так. Бывает, что женщины с одной-единственной X-хромосомой или с тремя X-хромосомами проявляют зримые патологические симптомы. Точно так же дело обстоит с мужчинами, наделенными двумя X-хромосомами в придачу к своей Y-хромосоме. Может быть, у таких людей не очень хорошо работает X-инактивация? Нет, вряд ли. Ведь X-инактивация — система весьма устойчивая. Маловероятно, что она будет всегда работать идеально (биология не знает таких примеров), но случайные нарушения ее функционирования не объясняют, почему все женщины с единственной X-хромосомой демонстрируют весьма схожие клинические симптомы.

У женщин с единственной X-хромосомой рост ниже среднего и недоразвиты яичники7. У женщин с тремя X-хромосомами рост выше среднего, а кроме того, в детском возрасте у них часто возникают трудности при обучении и наблюдается отставание в развитии8. У мужчин с двумя X-хромосомами (и, конечно, с Y-хромосомой) рост выше среднего, а яички у них могут отличаться сравнительно небольшими размерами, что приводит к пониженной выработке мужского гормона тестостерона. Для них также повышен риск возникновения трудностей при обучении9.

Данные симптомы могут очень расстраивать пациентов и их родителей, однако симптомы эти куда мягче, нежели те, что наблюдаются у больных с аномальным количеством аутосомных хромосом (вспомните синдромы Дауна, Эдвардса и Патау). Дело в том, что у X-хромосомы большие размеры, и большинство ее генов должным образом инактивируется вне зависимости от того, сколько копий этой хромосомы имеется в клетке. Однако некоторые гены не проходят нужной инактивации.