Когда генетики начинали грандиозную работу по расшифровке последовательности всей человеческой ДНК, они рассчитывали, что в этой последовательности найдётся около 140 тысяч генов, кодирующих разнообразные белки. Завершившаяся работа оставила весьма противоречивые впечатления: кодирующих участков оказалось чуть больше 20 тысяч, и в сумме их длина едва дотягивала до 2% общей длины всех хромосом. Такой результат, конечно, облегчил работу по поиску генов и белков, участвующих в нормальной и патологической работе клеток и тканей. Но вот смысл и назначение остального содержимого ДНК стали еще более туманными.
Вставив в ДНК мыши «мусорный» фрагмент человеческой ДНК, не кодирующий ни одного белка, можно сделать её лапку похожей на человеческую кисть. Опыт с фрагментом, отличающим обезьян от человека, – наверное, самая убедительная демонстрация ключевой роли «мусора» в формировании облика животных. И отличное доказательство незавершённости генетики.
Успешно завершившийся проект «Геном человека» не принес нам абсолютного знания, зато у ученых появилась прекрасная возможность сравнивать нашу ДНК с последовательностями других животных и растений, благо сообщения о полной расшифровке ДНК того или иного вида появляются раз в квартал.
Основной смысл всех этих сравнений остался тем же, что и тысячи лет назад, когда люди стали впервые задумываться о своей уникальности. Ведь даже в геноме бактерий и архей встречаются последовательности, используемые и нашими клетками, а геном шимпанзе совпадает с человеческим на 98,7%.
Правда, когда приводят такие числа, имеют в виду лишь собственно гены – участки ДНК, кодирующие какой-нибудь белок. На деле такие «значимые» участки занимают лишь несколько процентов ДНК.
Предназначение же большей части долгое время было совершенно непонятным, а сами эти участки даже прозвали «мусорной ДНК».
Очень скоро стало понятным, что это обидное название дано напрасно. Во-первых, природа редко может позволить себе столько ненужного. А во-вторых, учёные заметили, что некоторые из этих участков от поколения к поколению сохраняются так же хорошо, как и сами гены, а значит, находятся под действием жёсткого отбора, очищающего генофонд (или, лучше сказать, ДНК-фонд?) от нежизнеспособных «мутантов».
Сейчас генетика – это не только теории Менделя и Моргана, где основной функциональной единицей выступал ген. К радости современных ученых, получивших две последние Нобелевские премии по физиологии и медицине, система оказалась гораздо сложнее. И если работы любителей гороха и мушек ознаменовали первые этапы становления науки, то современный виток развития связан с исследованием регуляторов работы генома.
По современным представлениям, человек так разительно отличается от шимпанзе благодаря многочисленным регуляторным последовательностям, встроенным в нашу ДНК. Именно многочисленные «регуляторы и модификаторы», входящие в состав ДНК и не кодирующие какие-либо белки, обеспечивают столь потрясающее разнообразие даже в пределах одного вида, не говоря уже о всей флоре и фауне. Возможно, именно благодаря энхансерам эволюция развивалась по известному сегодня сценарию.
Как сказано в любом учебнике биологии, реализация наследственной информации происходит в ходе переписывания последовательности нуклеотидов ДНК в матричную РНК. Целенаправленно изменить считываемую информацию нельзя, зато можно выбрать, какая именно последовательность будет воспроизведена. И, хотя геном какой-нибудь печеночной клетки абсолютно не отличается от генома нейрона головного мозга, сами клетки построены из разных молекул, да и их продукты сильно отличаются.
Почему так происходит – слишком сложный вопрос для современной науки.
Считается, что это связано с микроокружением, межклеточными контактами и сигнальными молекулами, которые могут влиять на белковую машину через рецепторы или непосредственно проникая в ядро, как это делают стероидные гормоны. Однако детали этих процессов всё ещё скрыты от нас.
Однако ясно, что чем младше организм, тем эти процессы важнее. Если взрослому не так уж и страшно, когда одна из клеточек вдруг пойдет не по тому пути, то на стадии эмбриона важность каждого превращения гораздо больше. И в эмбрионе работают совершенно другие регуляторы, выключенные во взрослом организме. Есть такие, с помощью которых можно вернуть «стволовое состояние» взрослым клеткам, а есть и те, что отвечают за судьбу целого органа, будь то глаз или рука. Если с развитием органа зрения все вроде бы понятно, то вот насчет конечностей данных действительно недоставало.
Ученые уже научились предсказывать и даже управлять процессами развития хряща и кости, избирательной гибели клеток, определяющей появление пальцев. Но вот более ранние этапы, ключевые с точки зрения главных эволюционных отличий человеческого скелета, оставались плохо изученными.
Эдвард Рубин и соавторы публикации в Science считают, что нашли энхансер, направляющий развитие скелета по нужному пути.
Они уверены, что прямохождение и удобное для работы строение кисти с противопоставлением большого пальца – результат работы регулирующей последовательности HACSN1.
Чтобы выяснить это, генетики изучили все известные регуляторы работы генома и нашли последовательность, которая у человека претерпела самые большие изменения по сравнению с шимпанзе и макаками. Из 546 пар нуклеотидов у человека отличались целых 16. Этот некодирующий участок ДНК получил название HACSN1, и стал первым в новом классе энхансеров.
Дальнейшие действия Рубина и его коллег, генетиков и эмбриологов, ничем не отличались от традиционных экспериментов по выяснению роли того или иного фактора. Ученые соединили человеческий HACSN1 с геном, кодирующим белок-краситель синего цвета, и вставили в мышиные эмбриональные клетки. Благодаря красителю Рубин и его коллеги могли сразу заметить, в каких клетках происходила активация HACSN1. То же самое было проделано с ортологами HACSN1 обезьяньего происхождения.
Как отметили ученые, «вырастить мышь с человеческими руками» вовсе не входило в их планы, они только хотели проследить, в каких регионах эмбриона будет активироваться вышеупомянутый HACSN1.
Как и предполагалось, у «очеловеченных» мышей это произошло в районе большого пальца, запястья и плеча верхних конечностей и в меньшей степени лодыжки, бедра и большого пальца нижних. В группах «обобезьяненных» мышей активность HACSN1 была зарегистрирована только в районе жаберной дуги.
Хотя гены-мишени, на которые влияет HACSN1, пока не известны, Рубин не сомневается в роли своей находки в развитии конечностей у человека.
Этот вопрос можно было бы решить, вживив упомянутую последовательность приматам, но, к сожалению, работать с эмбрионами обезьян сложнее, чем с человеческими, так что в ближайшем будущем мы вряд ли получим сообщения о новом жителе «острова доктора Моро».
Кстати, в ходе этого исследования Рубину заодно удалось найти и участок ДНК, по которому можно проследить развитие человечества. Тем более что современная наука за последнее время поднаторела в расшифровке нуклеотидной последовательности палеоантропологических находок.
Доцент Стэнфордского университета (внесен Минюстом в перечень нежелательных в России организаций) Джил Беджерано и его аспирант Кори Маклин тоже уверены, что списывать эту часть генома со счета не стоит.
Она очень важна – но, похоже, не для конкретных организмов, а для целых видов.
способ организации генетического материала у прокариот, при котором цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки, объединяются под одним (или несколькими) промоторами. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать экспрессию (транскрипцию) этих генов.
Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Жакоб и Моно, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году. У эукариот система сложнее, но действует примерно по тем же принципам.
Опероны по количеству цистронов классифицируют на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).
Начинается и заканчивается оперон регуляторными областями – промотором в начале и терминатором в конце, кроме этого, каждый отдельный цистрон может иметь в своей структуре собственный промотор и/или терминатор.
И гены более подверженны мутациям: от вида к виду из ДНК они удаляются со средней скоростью в 250 раз большей, чем ультраконсервативные участки.
Последние, тем самым, лишь подтвердили правильность своего названия.
Но самое интересное началось там, где пошли отличия. Например, курицы по «ультраконсервативным участкам» человеку ближе, чем современные грызуны. Расширив группу сравниваемых геномов, учёные пришли к выводу, что существует общее правило:
по ультраконсервативным участкам ДНК эволюционно удаленные виды больше похожи друг на друга, чем виды, разделившиеся совсем недавно.
До определённого предела, конечно, а приматы вообще являются исключением из этого правила. Кроме того, не надо забывать, что в анализе участвовали всего шесть зверей, а также сумчатое, птица, рыба, земноводное и утконос.
участки вне промотора, которые связываются с различными факторами транскрипции и способны усиливать транскрипцию определенных генов. Энхансеры могут располагаться далеко от промотора перед, после промотора или пределах интрона. Некоторые гены контролируются более чем одним энхансером (Drosophila even-skipped ген).
Регуляторные элементы дрожжей S.cerevisae называются UAS (upstream activating sequences) функционально схожи с энхансерами высших эукариот. Большинство генов S. cerevisae имеют один UAS, который лежит в пределах нескольких сотен пн от кэп-сайта промотора.
Возможно, такие участки – что-то вроде «задела на будущее» – вроде участков ДНК, присутствующих у некоторых одноклеточных организмов, которые получили функцию лишь с появлением многоклеточных. Впрочем, такие сравнения, хотя и могут утешить Беджерано и Маклина – не им одним приходится сталкиваться с генными загадками, — вряд ли могут объяснить полученные двумя стэнфордскими учёными результаты.
Ещё одна загадка –назначение «ультраконсервативных цепочек» и вопрос о самом наличии какого-то предназначения.
В принципе, уже одна лишь низкая изменчивость намекает, что предназначение есть. Однако когда в экспериментах ученые убрали цепочки у эмбрионов мышей, это никак не сказалось на развитии и здоровье последних. Этот эксперимент (кстати, не первый такого рода) чем-то, впрочем, напоминает опыты на грибах, которых лишали доброй половины генов. Внешне лишенцы ничем не отличались от оригиналов и отлично размножались в чашках Петри с обильной едой, но гибли при стрессах, с которыми их полноценные коллеги справлялись.
Выводы, сделанные Берджерано из этого эксперимента, явно выдают эволюциониста, а не обычного генетика. Авторы публикации в Genome Research считают, что для проявления эффекта от отсутствия ультраконсервативных участков может быть недостаточно даже нескольких поколений. Ведь в противном случае состав их у людей и приматов давно бы сменился: с момента появления «родоначальника» каждой группы прошло немало времени, а для вероятного исчезновения из 1% генома хотя бы части информации, которая действительно лишняя, достаточно десятка-другого поколений.
Несмотря на собственное признание о том, что «как только отвечаешь на один вопрос, сразу появляется пять новых», ученые не теряют воодушевления и азарта и сейчас продолжают работу по исследованию роли этих последовательностей в эволюции животных. Возможно, это именно тот материал, с помощью которого можно предсказать дальнейшую судьбу видов и родов.
