Когда полностью секвенировали довольно крупный геном круглого червя С. elegans, то обнаружили, что в нем 27% нуклеотидных последовательностей кодируют структурные белки, 26% принимают участие только в начальной стадии кодирования и в дальнейшем от синтеза белка отстраняются (интроны), а оставшиеся 47% приходятся на повторы и межгенные участки, которые в кодировании белков не участвуют и в настоящее время представляются нам «лишним» материалом. При сравнении этих данных с геномами животных, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы, выяснилось, что чем сложнее устроен организм, тем меньше в его геноме доля кодирующих участков и тем больше в нем доля непонятной для нас информации. И больше всего ее в геноме человека. На первый взгляд это выглядело парадоксально.
Так в чем же дело? Этот вопрос возник еще в конце 70–х годов прошлого века. В 1980 году лауреатом Нобелевской премии Дж. Уот– соном и рядом других исследователей было впервые предложено считать участки, не способные кодировать белки, и при этом повторяющиеся в геноме, никчемными, лишними. Появился даже специальный термин «selfish DNA», что переводится как «эгоистичная ДНК». По мнению Уотсона, эгоистичная ДНК существует сама по себе и сама для себя. Накопление избыточной некодирующей белки ДНК – не что иное, как «эгоистическое» самоумножение селективно нейтральных молекул. В попытках объяснить наблюдаемое явление ученые пренебрежительно назвали «лишнюю» «эгоистичную» ДНК строительным «мусором», издержкой эволюции, которая служит платой за совершенство остальной ее части. В одном из последних изданий Oxford English Dictionary приводится такое значение слова эгоистичный: «Применительно к гену или генетическому материалу: обладающий тенденцией к воспроизведению или распространению, несмотря на отсутствие фенотипического (т. е. проявляемого внешне) эффекта».
После секвенирования генома человека, когда было установлено, что и в ДНК человека подавляющая часть последовательностей представляют собой участки, не кодирующие никакие белки или функционально значимые РНК (рРНК, тРНК и др.), стало ясно, что в отличие от трудяг–генов основная масса ДНК действительно не работает, т. е. не выдает никакой информации для производства белков или РНК. И это при любом расчете более 70% всей ДНК! Что–то слишком много для эгоистичной ДНК или «мусора». Такого количества геномного «мусора» нет ни у бактерий, ни у дрожжей, ни у мух.
Что это значит? Или наш геном в отличие от геномов более примитивных организмов ленится выгребать накапливающийся «мусор», или это совсем не мусор, а некое ценное эволюционное приобретение, которое дало когда–то человеку определенные преимущества, и поэтому геном от такого «мусора» не спешит избавиться.
На сегодняшний день мы еще многого не знаем об этой огромной части генома человека, пока условно называемой «эгоистичной». Однако уже сейчас ясно, что определение «эгоистичности» или «бессмысленности» для большинства участков генома на самом деле нельзя признать полностью справедливым. Если мы сегодня не в состоянии понять, для чего нужны какие–то участки ДНК, это еще не значит, что они пренебрежительно могут быть названы мусором. У бактерий «бессмысленных» участков вообще нет. У дрожжей почти нет. Но по мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше и больше вроде бы ничего не кодирующей ДНК. Трудно согласиться с предположением, что это результат некой неосознанной деятельности эволюции. Можно предположить, например, что эти нуклеотидные последовательности ДНК являются резервуаром эволюции, складом «запчастей». Если с каким–либо геном что–то не в порядке, клетка использует фрагменты некодиру–ющей ДНК для «ремонта» поврежденного. Сегодня ученые вынуждены отказываться от многих своих первоначальных, довольно ограниченных представлений. Время идет, и сейчас уже по крайней мере у некоторых из этих участков обнаружены определенные специфические функции.
И каковы же эти функции у ДНК, считавшейся много лет «эгоистичной»? Давно уже известно, что повторами в геноме человека являются представленные сотнями копий гистоновые гены, имеются тысячи копий генов, кодирующих рибосомные РНК, транспортные РНК и др. В дальнейшем выяснилось, что существуют и повторы, расположенные в концевых некодирующих белки участках мРНК, которые принимают, по–видимому, участие в таком важном процессе, как трансляции этих молекул. Оценено, что у человека такие элементы встречаются в 12% начальных некодирующих участков мРНК и в 36% некодирующих участков, расположенных в конце молекулы, что существенно выше, чем у других организмов. Повторы, расположенные в участках, кодирующих мРНК, несут определенную функциональную нагрузку. Они нередко участвуют в правильном и своевременном считывании информации при образовании белка на мРНК. Однако в сумме доля таких значимых или потенциально значимых повторяющихся участков генома человека весьма невелика.
Среди транспозонов, которые также были прежде отнесены к «эгоистичной» ДНК, постепенно обнаруживаются различные неизвестные ранее регуляторные последовательности, которые управляют работой ряда генов. Некоторые из транспозонов выступают в роли энхансеров (усилители транскрипции), сайленсеров (ослабители транскрипции), терминаторов транскрипции и прочих красиво звучащих элементов генома. Более того, выяснилось, что не менее полусотни генов генома человека имеют свое происхождение из транспозонов. Наконец, следует отметить, что определенные неко–дирующие белки участки ДНК обеспечивают процесс ее репликации, другие – упаковку в хромосомы, третьи – прикрепление к определенным структурам в ядре и т. д.
Можно привести ряд конкретных примеров. Так, Alu –повторы, о которых шла речь выше, обычно рассматривали как типичные представители «эгоистичной» ДНК, поскольку они имеют высокую повторяемость и при этом ничего не кодируют. Тем не менее и им может быть найдено применение в геноме, например, в регуляции работы генов. Похоже, в эволюции геномной ДНК действует некий «принцип слоненка Киплинга». Хобот у слоненка возник из–за его желания узнать, что ест крокодил на обед. Слоненок вначале огорчился своему носу, но не растерялся и нашел ему разные полезные применения. Так и повторяющиеся последовательности генома. Они возникают и меняются по своим внутренним молекулярно–генети–ческим законам, но для их вариаций потом может найтись полезная функция в геноме. Сейчас выяснилось, что способность Alu – повто–ров к перемещению может играть существенную роль в эволюции генома. Например, описаны случаи, когда, внедряясь в экзон или интрон какого–нибудь гена, такой повтор менял регуляцию его экспрессии. Alu –повтор способен также модулировать процесс репликации ДНК, регулировать сплайсинг и некоторые другие генетические процессы. Имеются данные, что эти повторы участвуют в подавлении трансляции РНК при клеточном ответе на стрессовые воздействия. Различные описанные в литературе функции, выполняемые Alu – повторами, помогают понять и объяснить причину их длительной «фиксации» в человеческом геноме. Скорее всего действительно многие из Alu сидят без дела до поры до времени, но отдельные представители не просто живут и размножаются, а и иногда работают.
Не находятся совсем без дела и длинные повторяющиеся последовательности. Так, показано, что они могут участвовать в процессе «тасования экзонов» (подробно тасованию карт), т. е. перемещения экзонов из одних генов в другие и формирования за счет этого новых генов.
Наконец, «бессмысленные» участки ДНК иногда могут осмысленно работать в хромосоме, например, когда они защищают свой вид от вторжения чужеродной ДНК. Выяснилось, что пустые концевые участки хромосом, как и область центромер (первичные места спаривания родительских парных хромосом), важны для сохранения вида: они определяют строгое распознавание макрорельефа хромосомы как органеллы клетки (а не микрорельефа—как молекулы ДНК) одного вида по принципу «ключ–замок». В результате этого сперматозоиды обезьяны не оплодотворяют яйцеклетки человека, т. к. хромосомы двух видов не распознают друг друга.
Таким образом, согласно современным оценкам, в участках «эгоистичной» ДНК скрыта определенная эволюционная информация. В результате перестройки некодирующих белки участков, что вообще–то не влияет на структуру самих генов, может происходить изменение в наборе формирующихся в конкретной клетке мРНК за счет изменения в их процессинге (альтернативный сплайсинг), использование альтернативных промоторов или даже формирование новых генов.
И последний пример функциональной значимости «эгоистичной» ДНК, который мы приведем здесь,– данные о строении концов хромосом.
Так в чем же дело? Этот вопрос возник еще в конце 70–х годов прошлого века. В 1980 году лауреатом Нобелевской премии Дж. Уот– соном и рядом других исследователей было впервые предложено считать участки, не способные кодировать белки, и при этом повторяющиеся в геноме, никчемными, лишними. Появился даже специальный термин «selfish DNA», что переводится как «эгоистичная ДНК». По мнению Уотсона, эгоистичная ДНК существует сама по себе и сама для себя. Накопление избыточной некодирующей белки ДНК – не что иное, как «эгоистическое» самоумножение селективно нейтральных молекул. В попытках объяснить наблюдаемое явление ученые пренебрежительно назвали «лишнюю» «эгоистичную» ДНК строительным «мусором», издержкой эволюции, которая служит платой за совершенство остальной ее части. В одном из последних изданий Oxford English Dictionary приводится такое значение слова эгоистичный: «Применительно к гену или генетическому материалу: обладающий тенденцией к воспроизведению или распространению, несмотря на отсутствие фенотипического (т. е. проявляемого внешне) эффекта».
После секвенирования генома человека, когда было установлено, что и в ДНК человека подавляющая часть последовательностей представляют собой участки, не кодирующие никакие белки или функционально значимые РНК (рРНК, тРНК и др.), стало ясно, что в отличие от трудяг–генов основная масса ДНК действительно не работает, т. е. не выдает никакой информации для производства белков или РНК. И это при любом расчете более 70% всей ДНК! Что–то слишком много для эгоистичной ДНК или «мусора». Такого количества геномного «мусора» нет ни у бактерий, ни у дрожжей, ни у мух.
Что это значит? Или наш геном в отличие от геномов более примитивных организмов ленится выгребать накапливающийся «мусор», или это совсем не мусор, а некое ценное эволюционное приобретение, которое дало когда–то человеку определенные преимущества, и поэтому геном от такого «мусора» не спешит избавиться.
На сегодняшний день мы еще многого не знаем об этой огромной части генома человека, пока условно называемой «эгоистичной». Однако уже сейчас ясно, что определение «эгоистичности» или «бессмысленности» для большинства участков генома на самом деле нельзя признать полностью справедливым. Если мы сегодня не в состоянии понять, для чего нужны какие–то участки ДНК, это еще не значит, что они пренебрежительно могут быть названы мусором. У бактерий «бессмысленных» участков вообще нет. У дрожжей почти нет. Но по мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше и больше вроде бы ничего не кодирующей ДНК. Трудно согласиться с предположением, что это результат некой неосознанной деятельности эволюции. Можно предположить, например, что эти нуклеотидные последовательности ДНК являются резервуаром эволюции, складом «запчастей». Если с каким–либо геном что–то не в порядке, клетка использует фрагменты некодиру–ющей ДНК для «ремонта» поврежденного. Сегодня ученые вынуждены отказываться от многих своих первоначальных, довольно ограниченных представлений. Время идет, и сейчас уже по крайней мере у некоторых из этих участков обнаружены определенные специфические функции.
И каковы же эти функции у ДНК, считавшейся много лет «эгоистичной»? Давно уже известно, что повторами в геноме человека являются представленные сотнями копий гистоновые гены, имеются тысячи копий генов, кодирующих рибосомные РНК, транспортные РНК и др. В дальнейшем выяснилось, что существуют и повторы, расположенные в концевых некодирующих белки участках мРНК, которые принимают, по–видимому, участие в таком важном процессе, как трансляции этих молекул. Оценено, что у человека такие элементы встречаются в 12% начальных некодирующих участков мРНК и в 36% некодирующих участков, расположенных в конце молекулы, что существенно выше, чем у других организмов. Повторы, расположенные в участках, кодирующих мРНК, несут определенную функциональную нагрузку. Они нередко участвуют в правильном и своевременном считывании информации при образовании белка на мРНК. Однако в сумме доля таких значимых или потенциально значимых повторяющихся участков генома человека весьма невелика.
Среди транспозонов, которые также были прежде отнесены к «эгоистичной» ДНК, постепенно обнаруживаются различные неизвестные ранее регуляторные последовательности, которые управляют работой ряда генов. Некоторые из транспозонов выступают в роли энхансеров (усилители транскрипции), сайленсеров (ослабители транскрипции), терминаторов транскрипции и прочих красиво звучащих элементов генома. Более того, выяснилось, что не менее полусотни генов генома человека имеют свое происхождение из транспозонов. Наконец, следует отметить, что определенные неко–дирующие белки участки ДНК обеспечивают процесс ее репликации, другие – упаковку в хромосомы, третьи – прикрепление к определенным структурам в ядре и т. д.
Можно привести ряд конкретных примеров. Так, Alu –повторы, о которых шла речь выше, обычно рассматривали как типичные представители «эгоистичной» ДНК, поскольку они имеют высокую повторяемость и при этом ничего не кодируют. Тем не менее и им может быть найдено применение в геноме, например, в регуляции работы генов. Похоже, в эволюции геномной ДНК действует некий «принцип слоненка Киплинга». Хобот у слоненка возник из–за его желания узнать, что ест крокодил на обед. Слоненок вначале огорчился своему носу, но не растерялся и нашел ему разные полезные применения. Так и повторяющиеся последовательности генома. Они возникают и меняются по своим внутренним молекулярно–генети–ческим законам, но для их вариаций потом может найтись полезная функция в геноме. Сейчас выяснилось, что способность Alu – повто–ров к перемещению может играть существенную роль в эволюции генома. Например, описаны случаи, когда, внедряясь в экзон или интрон какого–нибудь гена, такой повтор менял регуляцию его экспрессии. Alu –повтор способен также модулировать процесс репликации ДНК, регулировать сплайсинг и некоторые другие генетические процессы. Имеются данные, что эти повторы участвуют в подавлении трансляции РНК при клеточном ответе на стрессовые воздействия. Различные описанные в литературе функции, выполняемые Alu – повторами, помогают понять и объяснить причину их длительной «фиксации» в человеческом геноме. Скорее всего действительно многие из Alu сидят без дела до поры до времени, но отдельные представители не просто живут и размножаются, а и иногда работают.
Не находятся совсем без дела и длинные повторяющиеся последовательности. Так, показано, что они могут участвовать в процессе «тасования экзонов» (подробно тасованию карт), т. е. перемещения экзонов из одних генов в другие и формирования за счет этого новых генов.
Наконец, «бессмысленные» участки ДНК иногда могут осмысленно работать в хромосоме, например, когда они защищают свой вид от вторжения чужеродной ДНК. Выяснилось, что пустые концевые участки хромосом, как и область центромер (первичные места спаривания родительских парных хромосом), важны для сохранения вида: они определяют строгое распознавание макрорельефа хромосомы как органеллы клетки (а не микрорельефа—как молекулы ДНК) одного вида по принципу «ключ–замок». В результате этого сперматозоиды обезьяны не оплодотворяют яйцеклетки человека, т. к. хромосомы двух видов не распознают друг друга.
Таким образом, согласно современным оценкам, в участках «эгоистичной» ДНК скрыта определенная эволюционная информация. В результате перестройки некодирующих белки участков, что вообще–то не влияет на структуру самих генов, может происходить изменение в наборе формирующихся в конкретной клетке мРНК за счет изменения в их процессинге (альтернативный сплайсинг), использование альтернативных промоторов или даже формирование новых генов.
И последний пример функциональной значимости «эгоистичной» ДНК, который мы приведем здесь,– данные о строении концов хромосом.