Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Отсюда возникает серьезная проблема: как отличить сигнал от шума, анализируя гены в генетических последовательностях человека? Даже в пределах одного-единственного гена лишь небольшой участок отвечает за кодирование белка. Этот участок окружен гигантской областью генетического мусора.

Вернемся к исходной проблеме. Почему человек является столь сложно устроенным организмом, если наши гены, кодирующие белки, так похожи на аналогичные гены мух и червей? Отчасти это объясняется сплайсингом — процессом, о котором мы упоминали в главе 2. Человеческие клетки способны создавать большее количество вариантов белков по сравнению с более простыми организмами. Более 60% генов человека умеют создавать такие сплайсинговые вариации. Снова обратимся к рис. 2.5. Клетка человека способна производить белки, обозначенные на этой схеме как БЛЕДНОСТЬ, БЕДНОСТЬ, ЛЕСТЬ, ЕНОТ, ЛЕС, ЛЕНОСТЬ. В различных тканях она вырабатывает эти белки в разных соотношениях. К примеру, белки, которые мы обозначаем как БЛЕДНОСТЬ, ДНО и ЛЕСТЬ, могут в больших количествах синтезироваться в мозгу, тогда как почки могут экспрессировать лишь БЛЕДНОСТЬ и ЛЕНОСТЬ, при этом вырабатывать в 20 раз больше белка ЛЕНОСТЬ, чем белка БЛЕДНОСТЬ. В более простых организмах клетки будут производить лишь БЛЕДНОСТЬ да БЕДНОСТЬ, причем в более или менее фиксированных соотношениях в различных клетках. Сплайсинговая гибкость позволяет человеческим клеткам вырабатывать гораздо более разнообразные белки по сравнению с более простыми организмами.

Ученые, анализировавшие геном человека, предполагали, что могут существовать специфичные для человека гены, кодирующие белки: эти-то гены, мол, и отвечают за сложность нашего устройства, так возвышающую нас над прочей живностью. В человеческом геноме насчитывается около 1300 семейств генов. Почти все эти семейства встречаются во всех ветвях древа жизни, от самых простых организмов до самых сложных. Существует набор из приблизительно ста генных семейств, специфичных для животных, имеющих хребет, но даже они возникли уже на ранних этапах эволюции позвоночных. Эти характерные для позвоночных семейства генов, как правило, участвуют в комплексных процессах: скажем, в работе элементов иммунной системы, запоминающих инфекцию; в изощренных мозговых связях; в тромбообразовании; в передаче сигналов между клетками.

Часть нашего генома, кодирующая белки, словно бы построена из конструктора «Лего» с несметным количеством деталей. Большинство таких наборов (особенно наборы для новичков, эти громадные коробки) содержат ряд строительных блоков, которые являются вариациями на немногочисленные темы: треугольники и квадратики, несколько наклонных элементов, а может быть, еще и несколько арок в придачу. Ну да, они бывают разного цвета, у них разные пропорции и разная толщина, но в целом они похожи. Между тем из них можно соорудить почти все основные структуры, от лесенки из двух блоков до целого жилого комплекса. Лишь когда вам нужно построить что-то совсем-совсем особенное, вроде Звезды Смерти, требуются какие-то весьма необычные элементы, выходящие за рамки стандартов обычного конструктора «Лего».

На протяжении эволюции геномы развивались, но строились из стандартного набора «деталей конструктора». Лишь иногда, крайне редко, они создавали что-то совершенно новое. Так что мы не можем объяснить сложность устройства человека, заявляя, что у нас много необычных генов, кодирующих белки и специфичных лишь для человека. Таких генов у нас, откровенно говоря, немного.

Картина еще больше запутывается, если сравнить размеры человеческого генома с размерами генома других организмов. Посмотрите на рис. 3.1. Легко видеть, что у человека геном гораздо больше, чем у C.elegans, и неизмеримо больше, чем у дрожжей. Однако по относительному количеству генов, кодирующих белки, разница не столь уж велика.

Рис. 3.1. Вверху: площадь круга отражает относительные размеры генома у человека, микроскопического червя и одноклеточных дрожжей. У человека геном гораздо больше, чем у более простых организмов. Внизу: площадь круга отражает относительное количество генов, кодирующих белки, у этих трех видов. Неравенство между человеком и двумя другими существами значительно меньше, чем вверху. А значит, относительно большие размеры человеческого генома невозможно объяснить лишь на основании сравнения количества генов, кодирующих белки.

Эти данные убедительно показали, что геном человека содержит невероятно большое количество ДНК, не кодирующей белки. Собственно, 98% нашего генетического материала не выступает как матрица для создания этих важнейших молекул, которые, как считается, выполняют ключевые функции в клетке и организме в целом. Почему же в нас так много мусора?

Ядовитая рыба и генетические изоляторы

Возможно, это несущественный вопрос и ответ на него не так уж важен. Возможно, сам вопрос поставлен неверно. Возможно, генетический мусор не имеет ни функции, ни биологического значения. Возможно, вообще ошибочно полагать, что если нечто есть, то у него имеются какие-то причины находиться именно там, где оно располагается. Аппендикс человека в общем-то не служит ни для какой полезной цели, это просто рудиментарный орган, доставшийся нам от наших эволюционных предков. Некоторые ученые еще в 2001 году предполагали: то же самое может оказаться верным и для большей части мусорной ДНК человеческого генома.

Такие рассуждения частично основаны на наблюдениях за любопытной рыбой — иглобрюхом (она же — рыба-собака, она же — бурый скалозуб). Иглобрюхи — удивительные создания. Плавают они медленно и неуклюже, поэтому от хищников им не удрать. Встретившись с опасностью, они быстро набирают огромный объем воды и раздуваются в шар (у некоторых видов он даже покрыт колючками). Этого недостаточно для того, чтобы отпугнуть голодного врага? Ну что ж, у иглобрюха имеется токсин в тысячу раз мощнее цианида. Благодаря ему рыба приобрела свою сомнительную славу. В Японии она считается деликатесом (там эту рыбу называют фугу). Однако история этого деликатеса, мягко говоря, довольно противоречива: неправильное приготовление фугу может привести к летальным последствиям для едока.

Генетики с давних пор очень любят иглобрюха — или, во всяком случае, его ДНК. Геном у иглобрюха вида Fugu rubripes считается наиболее компактным среди геномов всех позвоночных. В длину этот геном составляет всего 13% человеческого, однако содержит практически все обычные гены позвоночных12. Почему геном иглобрюха так мал? Потому что в нем не очень много мусорной ДНК. В годы, когда секвенирование ДНК стоило недешево, иглобрюх принес большую пользу при сравнительных исследованиях геномов разных организмов. А поскольку его геном содержит так мало мусора, оказалось сравнительно легко выявить индивидуальные гены, ибо соотношение сигнал/шум здесь куда удобнее для исследований, чем в геноме человека. Ученые сумели с легкостью идентифицировать гены Fugu rubripes, а затем использовали полученные данные при поиске схожих генов в более «шумных» геномах — таких, как наш с вами.

Поскольку иглобрюх содержит очень мало мусорной ДНК, но при этом является отлично функционирующим и вообще преуспевающим существом, специалисты предположили, что некодирующие области человеческого генома могут быть «просто паразитическими, эгоистичными элементами ДНК, использующими геном в качестве удобного хозяина»13. Впрочем, одно из другого не следует с такой уж логической неизбежностью. Если нечто не имеет ясно различимой функции в каком-то определенном организме, это еще не значит, что оно не играет роли во всех прочих видах живых существ. Эволюция обычно ведет строительство, пользуясь довольно-таки ограниченным набором компонентов (вспомним конструктор «Лего»), а значит, она склонна наделять новыми функциями уже существующие объекты или их части. Таким образом, мусорная ДНК вполне может играть роль (роли) в других организмах, особенно в сравнительно сложных.

Следует также иметь в виду, что клетка, содержащая в себе так много мусорной ДНК, вынуждена расплачиваться за это в функциональном смысле. Каждый человек начинает свою жизнь как яйцеклетка, слившаяся со сперматозоидом. Исходная клетка делится на 2. Из этих 2 получаются 4. Далее процесс продолжается. Взрослый человек состоит примерно из 50-70 триллионов клеток. Такое огромное количество трудно себе представить. Попробуем применить такое сравнение. Стопка из 50 триллионов долларовых купюр, уложенных друг на друга, имела бы высоту, равную полутора расстояниям от Земли до Луны.

Для того, чтобы создать такое количество клеток, требуется минимум 46 циклов деления. Каждый раз, когда клетка делится, ей сначала нужно скопировать всю свою ДНК. Если важно лишь менее 2% всей ДНК, зачем же тогда эволюция поддерживает существование остальных 98%, ведь это, как мы предположили, просто бесполезный мусор, не выполняющий никаких функций? Как мы уже признали, самое убедительное доказательство эволюции видов заключается во всех тех бесполезных вещах, которые мы унаследовали от своих предков (возьмите тот же аппендикс). Однако использование гигантских ресурсов для постоянного воспроизводства 49 «бесполезных» пар нуклеотидных оснований на каждую пару, выполняющую какую-то функцию, кажется некоторым превышением необходимой избыточности.