Изучение человеческого генома имеет одну конечную цель — оно затевается исключительно ради того, чтобы, взглянув на последовательность ДНК конкретного индивида, можно было получить о нём максимум информации. О том, какими болезнями он может заболеть, какие способности в себе развить, и какие опасности его могут поджидать при выборе того или иного жизненного пути. История изучения этого вопроса довольно продолжительна, однако заветная цель приближается к нам далеко не так быстро, как хотелось бы.
История вопроса
Особенности психики человека таковы, что он склонен переоценивать собственные достижения. Эта закономерность очень четко прослеживается в развитии научной мысли. Учёным зачастую кажется, что стоит совершить еще небольшой рывок, как истина откроется во всей красе, а будущим поколениям естествоиспытателей останется лишь стряхивать пыль с приборов. Однако в подавляющем большинстве случаев оказывается так, что новое открытие порождает больше вопросов, чем даёт ответов.
В начале прошлого столетия казалось, что до выяснения природы наследственности рукой подать, ведь были переоткрыты законы Менделя, сформулирована хромосомная теория наследственности Моргана. Согласно представлениям того времени, наследственные факторы — гены являлись белковыми молекулами, последовательно соединенными между собой в хромосомах. Казалось, что вот-вот эти белки будут выделены из хромосом и всё встанет на свои места. При этом, естественно, ни у кого и в мыслях не было, что в генетическом материале организма могу присутствовать элементы, напрямую не определяющие каких-либо его свойств. Была уверенность в том, что каждый ген-белок отвечает за определенную функцию. Однако, всё оказалось куда сложнее.
Во-первых, к середине 40-х годов, благодаря опытам Эйвери, Маклеода и Маккарти становится понятно, что функции хранения и передачи наследственной информации могут выполнять вовсе и не белки. Внимание ученых начинает концентрироваться на изучении полимерной молекулы ДНК. К тому моменту было хорошо известно, что ДНК входит в состав хромосом, однако полагали, что эта молекула выполняет структурные функции, являясь своего рода хромосомным каркасом. Окончательно обосновали ключевую роль ДНК в наследственности только в начале 50-х годов Альфред Херши и Марта Чейз, показав, что бактериофаги способны размножаться без собственных белков — в инфицируемой ими бактериальной клетке оказывается и реплицируется только ДНК.
Структуру молекулы ДНК впервые описывают в своей работе 1953 года Джеймс Уотсон и Френсис Крик. В последующие 20 лет накапливаются знания о природе генетического кода (М. Ниренберг и Дж. Маттеи), работе генов и регуляторных элементов (Ф. Жакоб и Ж. Моно), тонкой структуре гена (С. Бензер), об укладке ДНК на нуклеосомах ( А . Корнберг). Также становится понятно, что в геномах организмов содержатся далеко не только уникальные последовательности структурных генов — в них присутствует огромное количество часто повторяющихся и вовсе не кодирующих последовательностей.
Своя и чужая ДНК
В середине прошлого века тезис о том, что генетический материал организма содержит исключительно структуры, необходимые для формирования фенотипических признаков, было странно подвергать сомнению. Любую особенность организма пытались объяснить с позиций целесообразности, поэтому считалось, что лишних и нефункциональных структур быть просто не должно.
Опыты, подтверждающие наличие в геноме «лишнего», довольно любопытны. Первые указания на такую особенность были получены при изучении того, как геномная ДНК восстанавливается после разъединения двух нуклеотидных цепочек. Оказалось, что разные последовательности делают это по-разному. Если последовательность содержит много повторов, она восстанавливается быстрее, а если последовательность ДНК уникальная — времени на ее ренатурацию требуется больше. В ходе проведения соответствующих экспериментов на геномных ДНК эукариот было выяснено, что очень большая часть генома приходится на разного рода быстро ренатурирующие повторы, сателлиты и прочую «бесполезную» ДНК (кстати, термин «junk DNA» был введен еще Френсисом Криком). Еще сравнительно недавно бытовало мнение, что такого рода «мусорные последовательности» необходимы для того, чтобы защищать полезную ДНК от мутаций, как бы вызывая огонь на себя. В самом деле, если мутациям подвергается некодирующий участок ДНК, то это, скорее всего, не отразится негативно на фенотипе особи. Однако, как выяснилось впоследствии, роль такой ДНК в геноме нельзя ограничить только этим. Дальнейшее изучение вопроса показало, что повторяющаяся и некодирующая фракция ДНК в геноме чрезвычайно разнообразна по своей структуре. Помимо повторов, выполняющих чисто технические функции связывания с белками ядерного матрикса или компонентами центромеры, обнаруживаются такие участки генома, которые напрямую не влияют на морфологию организма и на выполнение им тех или иных функций. Исследование того, откуда эти участки взялись и почему они есть у всех, представляло интерес.
Примерно одновременно с работами по изучению роли ДНК в наследственности подвергается первой критике хромосомная теория Моргана в хрестоматийном ее понимании. Это связано с тем, что Барбара МакКлинток обнаруживает генетические элементы, которые, по ее мнению, способны менять свою локализацию на хромосоме. Эти революционные исследования поначалу не находят понимания, поскольку противоречат принятому тогда постулату о том, что каждый ген имеет свое постоянное место в хромосомном наборе.
За предположение о том, что гены способны менять месторасположение на хромосоме Барбара МакКлинток даже получила прозвище crazy Barbara
Однако позднее выясняется, что подобные мобильные генетические элементы (МГЭ) присутствуют у всех живых организмов (стоит также упомянуть, что МакКлинток спустя 30 лет после своего открытия удостаивается Нобелевской премии в области физиологии и медицины).
У животных, а конкретно, у дрозофилы, мобильные элементы впервые обнаруживают в лабораториях Хогнесса в США и Георгиева в СССР. Причем очень быстро становится ясно, что таких элементов огромное множество, в геномах они представлены очень широко, а по своим структурным и функциональным особенностям могут отличаться очень сильно. Изучение структуры различных классов подвижных элементов генома приводит ученых к выводу об их родстве с вирусами. Жизненные циклы вирусов и многих МГЭ очень похожи, да и белки, кодируемые их генами, выполняют одни и те же функции, что отчетливо указывает на общность происхождения этих примитивных живых систем.
Экология генома: молекулярные «паразиты» и «симбионты»
До 80-х — 90-х годов прошлого столетия тезис о том, что внутри человеческого генома могут находиться последовательности, собственно к человеку не имеющие никакого отношения, звучал бы дико. Однако сейчас мы сталкиваемся с тем, что фактически геномы едва ли не всех эукариот кишат молекулярными «паразитами»! Известно, что подавляющее большинство вирусов могут встраивать свои ДНК в геном организма, который они заражают. При этом задача вируса очевидна — это размножение. Однако, этой цели вирусы могут добиваться разными способами. С одной стороны, логично сразу же после встраивания начать синтезировать свои собственный белки, копировать свой генетический материал, а потом выходить из одной клетки организма и начинать заражать другие. В этой ситуации возникает небольшая проблема: клетка-хозяин погибает, а вслед за одной клеткой может погибнуть и весь организм, не дав возможности вирусу заразить другие организмы. Вступает в силу один из законов экологии: паразит, губящий своего хозяина, губит и себя самого. Поэтому возникает принципиально иная стратегия поведения молекулярных «паразитов». После интеграции в геном, многие вирусы начинают вести себя так, будто являются его неотъемлемой частью. Они не начинают активно копировать свой генетический материал, а остаются в сайте интеграции в виде так называемого провируса. Такой подход позволяет вирусам копировать информацию своего генома вместе с репликацией генома организма-хозяина, передаваясь по наследству потомкам этого хозяина.
В настоящее время выделяют несколько типов мобильных генетических элементов (рис.1):
LINE (long interspersed nuclear repeats) — одни из самых древних элементов. Содержат ген обратной транскриптазы и способны вносить разрывы в геномную ДНК при транспозиции. Часто образуют несовершенные копии.
SINE (Short interspersed nuclear repeats) — короткие последовательности, содержащие промотор полимеразы III. Их транспозиции происходят за счет белков, кодируемых генами LINE-элементов.
LTR (long terminal repeat) retrotransposons — группа элементов, по своей организации больше всего напоминающая ретровирусы. Считается, что часть ретротранспозонов произошла от вирусов, когда-то проникнувших в геном. Некоторые LTR-элементы сохраняют возможность покидать клетку-хозяина и инфицировать другие клетки. Включают от одного до нескольких генов.
DNA transposons — мобильные элементы, не требующие стадии образования РНК-копии для транспозиций. Кодируют фермент транспозазу, необходимую для перемещения.
Британский генетик Джон Брукфилд (John F. Brookfield) в своих научных обзорах последних лет обосновывает введенный недавно термин «экология генома», рассматривая в том числе и геном человека, как среду обитания всевозможных эндогенных ретровирусов, транспозонов и других коротких мобильных последовательностей. Между организмом-хозяином и такими сожителями ведется борьба по всем законам экосистем: паразит стремится размножиться, причиняя минимум беспокойства хозяину, а хозяин стремится либо паразита нейтрализовать, либо заставить работать на себя.
При этом случаи мутуалистических отношений (сожительства с обоюдной пользой) между чужеродными последовательностями и геномом не редки. К тому же, широко известно, что относительно безопасные «одомашненные» вирусы могут препятствовать проникновению в клетки агрессивных вирусов извне.
Одним из интересных примеров «симбиоза» в геноме является участие белковых продуктов эндогенных ретровирусов человека в процессе образования ткани плаценты
Однако, разумеется, помимо пользы от мобильных генетических элементов можно вполне ожидать и проблем. В частности, они могут провоцировать хромосомные аберрации, вызывать своими перемещениями мутации и изменения в активности генов, приводить к дестабилизации структуры всего генома. Взаимодействие между МГЭ и хозяйским геномом могут приводить к самым разнообразным и любопытным последствиям от возникновения наследственных заболеваний до провоцирования процессов видообразования и образования новых генов.
Запутанная молекулярная инструкция
Проект «Геном человека» стартовал в начале девяностых и к настоящему времени завершен (Подробнее о проекте «Геном человека» читайте в материалах «Живых систем» «Геном человека: как это было и как это будет»). Первые данные о составе нашего генома были опубликованы еще в 2001 году. Тогда стало ясно, что на долю структурных генов (генов, содержащих информацию о строении белков или РНК) приходится около 5 процентов всего генома ( а ведь еще совсем недавно считалось, что кроме них в генетическом материале клетки быть ничего не должно). Самих же генов всего порядка 25 — 30 тысяч, что совсем не так много, как считалось. На долю же всевозможных мобильных последовательностей отводится целых 45 процентов геномной ДНК! Остальное представлено повторами, поломанными неактивными генами и прочими техническими последовательностями. Всё это невероятное разнообразие молекулярных текстов из поколения в поколение взаимодействует друг с другом, перестраивается, меняется местами и чуть ли не противоречит друг другу. Выяснить, как вся эта «биоинформатическая» каша из отдельных слов, написанных четырьмя молекулярными буквами-нуклеотидами, определяет внешний вид, характер и прочие особенности человека, — это задача, на решение которой уйдет ещё очень много времени.
Разумеется, значение проекта «Геном человека» сложно переоценить. Уже сейчас сделано множество интереснейших работ, которые были бы невозможны без прочтения последовательности человеческой ДНК. Однако каких-то 5—10 лет назад казалось, что секвенирование генома решит сразу все проблемы биологической науки, а заодно и медицины. В прессе было очень модно обсуждать прочтение «книги жизни», в которой содержится подробная инструкция о том, как собрать человеческий организм. Вроде бы оставалось лишь последовательно вникнуть в смысл каждой главы. И вдруг столь значительная книга, страницы которой так мечтали пролистать учёные конца XX века, на поверку оказывается зачитанным глянцевым журналом, пестрящим рекламой, вырезанными страницами, частными объявлениями с грамматическими ошибками и чьими-то заметками на полях. Найти что-то полезное в таком молекулярном издании довольно сложно, однако учёным не просто предстоит отделить в нем ценную информацию от бессмыслицы, но также понять алгоритм того, как полезные отрывки сочетаются и дополняют друг друга, реализуясь в целостной картине человеческого организма. Это не самая простая головоломка.
Список литературы:
1. Brookfield JF. The ecology of the genome — mobile DNA elements and their hosts.
Nat Rev Genet. 2005 Feb;6(2):128—36. Review.
2. International Human Genome Sequencing Consortium (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409: 860—921.
3. McClintock B. The origin and behavior of mutable loci in maize. Proc Natl Acad Sci U S A. 1950 Jun;36(6):344—55.
4. Orgel LE, Crick FH. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature. 1980 Apr 17;284(5757):604—7
5. Ryan FP. Human endogenous retroviruses in health and disease: a symbiotic perspective. J R Soc Med. 2004 Dec;97(12):560—5.
6. Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737—8.
|
