Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Отсекая бессмыслицу

Вам может показаться, что все это — довольно простые процессы. Однако некоторое время назад ученые обнаружили, что здесь есть некая странность. Большинство генов состоит из фрагментов, которые кодируют аминокислоты белков, и каких-то «лишних» кусков, которые ничего такого не кодируют. Эти куски — словно бессмыслица, вклинившаяся в строй понятных слов. Фрагменты бессмысленного генетического текста назвали интронами.

Когда клетка производит РНК, она вначале копирует все ДНК-буквы гена, в том числе и те его куски, которые не кодируют никаких аминокислот. Но затем клетка удаляет эти некодирующие куски, так что в конечном счете получается информационная РНК, представляющая собой удобную инструкцию для синтеза нужного белка. Этот процесс называется сплайсингом («сращиванием»). Он упрощенно показан на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Стадия 1: ДНК копируется в РНК. Стадия 2: РНК обрабатывается так, чтобы соединялись вместе лишь участки, кодирующие аминокислоты (обозначены прямоугольниками с буквами). Мешающие «мусорные» участки выбрасываются из зрелой молекулы информационной РНК.

Как показано на рис. 2.4, белок кодируется модульными блоками информации, что дает клетке массу возможностей по-разному обрабатывать РНК (такая обработка называется процессингом РНК). Клетка может по-разному соединять модули, полученные от молекулы информационной РНК, тем самым создавая целый ряд информационных молекул, кодирующих родственные друг другу, но не идентичные белки. Схематически это показано на рис. 2.5.

Куски бессмысленного текста между участками гена, кодирующими аминокислоты, вначале считали просто какой-то чепухой, ненужным хламом. Отсюда и возникло пренебрежительное название «мусорная ДНК». Такие фрагменты обычно отметали как незначащие. Как уже подчеркивалось, мы будем использовать термин «мусорная ДНК» для обозначения любых фрагментов ДНК, не кодирующих белки.

Рис. 2.5. Молекула РНК может обрабатываться различными путями. В результате могут соединяться друг с другом разные участки, кодирующие аминокислоты[3]. Это позволяет синтезировать на основе одного исходного гена ДНК различные версии белковой молекулы.

Однако теперь-то нам известно, что такие фрагменты могут иметь очень большое значение. Атаксия Фридрейха, заболевание, которое мы описывали в главе 1, вызывается ненормально большим количеством повторов последовательности ГАА в одной из «мусорных» областей ДНК, находящейся между двумя фрагментами, честно кодирующими аминокислоты. Отсюда и возник вполне разумный вопрос: если мутация не затрагивает последовательности, отвечающие за синтез аминокислот, почему же люди, у которых наблюдается такая мутация, страдают от столь разрушительных симптомов?

При атаксии Фридрейха мутация определенного гена происходит в мусорной области между двумя участками, кодирующими аминокислоты. (На рис. 2.5 это была бы область между Б и Л.) В нормальном состоянии такой ген содержит от 5 до 30 повторов ГАА, а у мутантного гена от 70 до 1000 повторяющихся мотивов ГАА2. Исследователи показали: когда число повторов так сильно превышает норму, клетка перестает вырабатывать информационную РНК, кодируемую данным геном. А поскольку клетки теряют способность производить информационную РНК, они не могут делать и белок. Если вы не рассылаете вязальщицам узоры, солдаты не получают теплых носков.

Собственно, в таких случаях клетки не производят даже длинную, необработанную РНК-копию гена3. Зона избыточного повтора ГАА действует как своего рода «клейкая» область, которая препятствует нормальному копированию ДНК. Сравните с попыткой ксерокопировать 50-страничный документ, в котором страницы 4-12 склеены вместе. Аппарат просто не сможет нормально обработать эти страницы, и весь процесс копирования документа застопорится. В случае гена атаксии Фридрейха невозможность копирования означает, что не будет РНК, а значит, не будет и белка.

Пока не до конца ясно, почему нехватка белка, кодируемого данным геном, приводит к симптомам данной болезни. Похоже, этот белок участвует в процессах, которые мешают избыточному накоплению железа в частях клетки, вырабатывающих энергию4. Когда клетке не удается синтезировать соответствующий белок, уровень содержания железа повышается до токсичных значений. По-видимому, некоторые типы клеток более чувствительны к уровню содержания железа. К ним относятся и те, которых затрагивает эта болезнь.

Родственный предыдущему, но все же иной механизм лежит в основе синдрома ломкой X-хромосомы — формы неспособности к обучению (умственной отсталости), с которой мы сталкивались в главе 1. Мутация при синдроме ломкой X-хромосомы — увеличение числа повторов последовательности ЦЦГ. Тут многое напоминает мутацию при атаксии Фридрейха: в нормальной хромосоме число копий этой последовательности обычно от 15 до 65. Но у хромосомы, которая несет в себе мутацию, характеризующую синдром ломкой X-хромосомы, число копий — от примерно 200 до нескольких тысяч5,6. Однако при синдроме ломкой X-хромосомы зона увеличенного числа повторов располагается в иной части гена по сравнению с атаксией Фридрейха — перед первым участком, кодирующим аминокислоты: на рис. 2.5 это соответствует мусорной области слева от блока, обозначенного буквой Б. Когда число «мусорных» повторов становится очень большим, информационная РНК не производится, а значит, на основе данного гена не синтезируется белок7.

Функция этого белка состоит в том, чтобы разносить по клетке множество различных молекул РНК. Он доставляет их в нужные места, тем самым влияя на то, как эти РНК будут обрабатываться и как они будут синтезировать белки. Без данного белка другие молекулы РНК не регулируются должным образом. В результате нарушается нормальное функционирование клетки8. По неясным пока причинам нейроны мозга, похоже, особенно чувствительны к такому эффекту. Вот почему при этом заболевании ухудшается обучаемость.

Приведем очередную бытовую аналогию. В Великобритании сравнительно небольшое количество выпавшего снега может парализовать транспортные сети. Снег покрывает шоссе и железнодорожные пути, мешая двигаться автомобилям и поездам. Когда такое происходит, люди не в состоянии вовремя добраться до места работы, что создает всевозможные проблемы. Школы не открываются, товары не доставляются в срок, банки не выдают нужное количество наличности и т.п. Одно исходное событие — снегопад — порождает многообразные последствия, поскольку нарушает работу транспортных систем человеческого общества. Что-то подобное происходит и при синдроме ломкой X-хромосомы. Подобно снегу на автострадах и рельсах, мутация нарушает работу транспортных систем человеческой клетки, что приводит к множеству последствий: наблюдается своего рода «эффект домино».

«Отключение» экспрессии определенного гена — ключевая стадия в патологии атаксии Фридрейха и синдрома ломкой X-хромосомы. Подтверждения этой гипотезы удалось найти, исследуя некоторые крайне редкие проявления обоих заболеваний. У очень небольшого числа пациентов участки мусорных повторов имеют тот же малый размер, что и у большинства здоровых людей. У таких пациентов наблюдаются мутации, меняющие порядок следования участков, кодирующих аминокислоты. Такие изменения аминокислотной последовательности не позволяют клетке вырабатывать белок. Иными словами, неважно, почему белок не экспрессируется, — в любом случае у пациентов наблюдаются симптомы болезни.

И как только вы обзавелись красивой теорией...

Может показаться, что у нас вырисовывается удобный и прямой путь для дальнейших исследований. Можно рассуждать так: эти расширения в мусорных областях важны лишь из-за того, что они создают аномальную ДНК. С этой ДНК клетка обращается неправильно. Результат — нехватка определенных важных белков. Можно предположить, что обычно эти мусорные области не играют особой роли в клетке.

Однако этому выводу кое-что противоречит. «Нормальный» диапазон количества повторов в генах синдрома ломкой X-хромосомы и атаксии Фридрейха обнаруживается по всему миру. Более того, он сохраняется на всем протяжении эволюции человека (является «консервативным»). Если эти области не наделены никаким смыслом, следовало бы ожидать, что со временем они будут случайным образом меняться. Однако такого не происходит. Остается предположить, что эти «нормальные» повторы имеют какую-то функцию.

Но подлинная жемчужина в этой генетической раковине связана с миотонической дистрофией, заболеванием, которое мы описывали в главе 1. Количество повторов при миотонической дистрофии растет по мере того, как недуг передается от поколения к поколению. Родительская хромосома может содержать последовательность ЦТГ, повторенную 100 раз подряд. Но в хромосоме ребенка последовательность ЦТГ может повторяться уже 500 раз подряд! По мере увеличения числа повторов последовательности ЦТГ заболевание становится все острее. Такого бы не происходило, если бы вредоносный рост числа повторов просто отключал близлежащий ген. Все клетки страдающего миотонической дистрофией содержат по две копии данного гена. В одной копии нормальное число повторов, в другой — увеличенное. А значит, одна копия гена должна всегда вырабатывать нормальное количество соответствующего белка. Следовательно, общий уровень выработки белка может упасть максимум на 50%.