Мусор в ДНК

Структура молекулы ДНК. Изображение: Scott Tysick / Getty Images / Fotobank.ru

Почему для синтеза белка используется только 1% генома и не лучше ли «выбросить» все остальное

Светлана Фаддеева

14 ноября, 2014 09:53

9 мин

Расшифровка структуры ДНК Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году открыла эпоху активного изучения генома. Ученые очень быстро обнаружили, что кроме активных генов, на основе которых клетка синтезирует белки, ДНК содержит огромное количество участков, функции которых непонятны. И чем сложнее организм, тем больше таких участков. Возникает логичный вопрос: зачем они нужны, и не мешают ли они нормальной работе генома?

Исследователи предположили, что в процессе эволюции в клетках накапливаются участки генов, утративших активность под действием мутаций, как в доме накапливается мусор. Сусуму Оно (Susumu Ohno) в 1972 году предложил для геномной ДНК, функции которой неизвестны, термин «мусорная» ДНК (junk DNA). Многие элементы мусорных участков выглядят как гены, однако не способны к экспрессии (синтезу белка на своей матрице). Для них в 1977 году был предложен термин псевдогены (pseudogenes) или молчащие гены (silent genes).

Проект «Геном человека»

Международный проект «Геном человека» (The Human Genome Project, HGP) начался в 1990 году под руководством Уотсона с амбициозной целью секвенировать (расшифровать) всю человеческую ДНК. Исследование шло параллельно с бурным прогрессом технологий секвенирования. Уотсон вскоре был вынужден покинуть проект, но исследование было успешно завершено: в 2000 году опубликован черновик структуры ДНК, а в 2003 — полный геном. В этот период объектами изучения в проекте становились и другие вещи: кишечная палочка, дрозофила, мышь и другие.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. Фото: Getty Images / Fotobank.ru

По опубликованным данным проекта, геном человека содержит около 28 тысяч генов, что ненамного больше, чем у ленточного червя, а последовательности, кодирующие белок, составляют всего около 1% от общего объема ДНК. Неужели клетка бессмысленно копирует такой объем ненужной информации? Ведь это требует огромных ресурсов при каждом ее делении.

Минимальный геном

Если неактивные гены — просто мусор, почему бы человеку не провести эту «генеральную уборку», оставив в геноме только самое необходимое? Для начала у простых организмов — бактерий. Это высвободит огромные ресурсы клетки, а вместо «мусора» можно интегрировать в геном множество копий нужного гена и получить суперпродуцентов аминокислот и других веществ для народного хозяйства.

Идею минимального генома предложили американские ученые русского происхождения Евгений Кунин (Evgeniy Koonin) и Аркадий Мушегян (Arkadiy Mushegian). Эта идея уже почти 20 лет будоражит ученых. Было сделано множество попыток создать минимальный геном, и большинство полностью провалилось: даже такой простой организм, как бактерия, теряет жизнеспособность с минимальным набором генов.

В области минимального генома много открытий. Американский биохимик и генетик Крейг Вентер успешно синтезирует полностью искусственные геномы, однако очевидно, что они не выдерживают конкуренции с «дикими» организмами.

Разбираем мусор

Что входит в 99% «мусорного» генома? Оказывается, он далеко не такой бессмысленный, как кажется, иначе эволюция давно бы от него избавилась.

Повторы

В клетках животных распространен процесс удваивания отдельных генов и участков между ними. Существуют разные механизмы дупликации, но в итоге геном пополняется копиями исходного гена. Таких дупликаций могут быть десятки, например, ген MGC8902 (важен для правильной работы коры мозга) представлен в геноме человека в 49 экземплярах. Иногда такая копия работает параллельно с оригиналом: это один из способов ускорить синтез белка. Часто копия при встраивании теряет активность, становится псевдогеном, в ней накапливаются мутации. Известны случаи, когда в результате замен или мутаций копия вновь активировалась и приобрела новые функции.

Области регуляции

Исследователей всегда удивляло, как мало у человека и других животных различий в ДНК. С шимпанзе, как известно, мы различаемся на 1%, а с мышью — на 5% генома. Исследования показали, что эволюция животных протекает не столько за счет изменения генов, сколько путем регуляции их активности. Эти области регуляции обычно расположены на ДНК перед началом регулируемых генов. Связываясь с такой областью, специальный регуляторный белок активирует или подавляет работу гена. Но вот что интересно: работу гена, кодирующего этот регуляторный белок, контролирует другой белок, а его, в свою очередь, регуляторный белок третьего уровня — вместе они образуют сети регуляции генов. Эта область на стыке математики и молекулярной биологии находится еще в самом начале изучения.

Теломеры и центромеры

Эти структурные элементы хромосомы — те немногие участки, которые не были расшифрованы в ходе проекта «Геном человека». Тем не менее, проект был признан завершенным, так как эти участки не кодируют белок. Однако они необходимы для работы хромосом, особенно в процессе деления клетки. Теломеры — концевые участки хромосом — обеспечивают полноту копирования ДНК, а центромеры необходимы для правильного удвоения хромосом и их последующего распределения между дочерними клетками.

Вирусы

В геноме человека и других животных около 1% занимают эндогенные вирусные элементы, то есть встроенные в процессе эволюции участки вирусной ДНК (позвоночные получают большинство таких элементов от ретровирусов). Свободные ретровирусы, например, ВИЧ, хранят генетический материал в виде РНК. Вирус синтезирует ДНК на основе своей РНК и встраивает эту ДНК в геном хозяина. Если вирус проникнет в половые клетки, хозяин будет передавать его ДНК по наследству. Иногда вирусы приносят пользу, например, ген, когда-то отвечавший за синтез оболочки вируса, в человеческом организме участвует в работе плаценты. Но большая часть эндогенных вирусов — это действительно мусор. Естественный отбор не поддерживает их активность, поэтому под действием мутаций они деградируют, теряя способность размножаться и синтезировать белок.

«Гены» РНК

ДНК может кодировать не только белок. Больше 10% генома содержат информацию о тысячах РНК: транспортной, митохондриальной, рибосомной, а также вспомогательных, например, малой ядерной РНК. Утверждается также, что клетка не только хранит, но и использует большую часть этой информации.

Структура молекулы РНК. Изображение: Kenneth Eward / Getty Images / Fotobank.ru

Транспозоны

Транспозоны — это мобильные элементы ДНК, способные к перемещению и размножению в пределах генома. В человеческом организме транспозоны составляют около 45% всего генетического материала. Эволюционная роль этих элементов огромна: под контролем клетки такие элементы формируют новые комбинации генного материала с регулируемой частотой. При резком ухудшении условий жизни частота перемещения транспозонов может скачкообразно увеличиваться, обеспечивая высокий уровень изменчивости организмов и, следовательно, создавая предпосылки для интенсивной эволюции. Иногда это единственный способ для популяции приспособиться к новым условиям жизни.

Энциклопедия элементов ДНК

В 2003 году Национальный институт исследований генома человека (США) начал проект Энциклопедия элементов ДНК (The Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE). Он прямо наследовал проекту «Геном человека», опирался на его результаты и ставил целью провести полный анализ функций элементов генома человека.

Первые результаты были опубликованы 5 сентября 2012 года на сайтах журналов Nature, Genome Biology и Genome Recearch. Они демонстрируют, что по крайней мере 80% генома человека является биологически активным. В настоящее время накапливается все больше данных, противоречащих идее о некодирующих последовательностях как «мусорной ДНК».

Эволюция в молчащих генах

Еще один шаг к разгадке тайны «мусорных» генов сделали в 2014 году ученые из Калифорнийского университета. Исследуя дрозофил родственных линий, они обнаружили множество новых генов, и установили, что те возникают преимущественно в «мусорной» ДНК. Новые гены затем подвергаются естественному отбору. Авторы говорят о том, что подвижность генома еще сильно недооценена.

Это красивая и очень логичная идея. Чаще всего мы представляем эволюцию как изменение активных, действующих генов. Но если представить себе геном как набор кубиков, часть из которых использована для построек, а остальные просто лежат на полу, гораздо логичнее использовать для новых сооружений те, что просто лежат, чем разрушать необходимые для жизни готовые строения.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе