Книга Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

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 некодирующие 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-генетическим законам, но для их вариаций потом может найтись полезная функция в геноме. Сейчас выяснилось, что способность Alu-повторов 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.

Концы молекул ДНК — объект повышенного внимания

Устройство концов хромосом давно интересовало исследователей. Теперь стало ясно, что они устроены по особому. И эту некодирующую белки ДНК никак нельзя назвать «эгоистичной». Концевой участок ДНК, называемый теломерным, представляет собой область размером 3–20 тыс. п. н., состоящую из тандемно расположенных повторов TTAГГГ (рис. 28). С этими участками образуют комплекс различные специфические белки, и такой комплекс получил название теломера.

Самый-самый (в данном случае левый) кончик хромосомы человека выглядит так:

ГГГАТТГГГАТТГГГАТТГГГАТТГГГАТТГГГАТТ…

ЦЦЦТААЦЦЦТААЦЦЦТААЦЦЦТААЦЦЦТАА…

То есть каждый том Энциклопедии человека начинается с буквы Г, и первые 6 букв — это однонитевая ДНК, а вовсе не двунитевая, какова она на всем дальнейшем протяжении. В английском языке с буквы Г (G) начинается слово Бог (God), и некоторые исследователи склонны видеть в этом некий глубокий смысл. При определенном желании, конечно же, можно найти много всяких аналогий, но эта — безусловно случайная.

Рис. 28. Структура концов ДНК в хромосомах — теломер

3а короткими повторами располагаются более длинные повторяющиеся последовательности, которые назвали повторами, ассоциированными с теломерой. Далее следуют уникальные для каждой хромосомы последовательности, которые на практике используются для различения разных концов разных хромосом. Теломеры защищают основную часть ДНК от действия ферментов, которые в отсутствие теломер разрушали бы молекулы ДНК. Кроме того, теломеры способствуют правильной рекомбинации хромосом и их прикреплению к оболочке ядра.

Концевые участки хромосом не статичны. При каждом делении клеток происходит их укорочение в среднем на 50 п. н. Все известные ДНК-полимеразы, которые участвуют в процессе репликации ДНК, неспособны полностью реплицировать концы молекул. Поэтому каждая следующая копия короче предыдущей. Как если бы машинистка, перепечатывая книгу, всегда ленилась бы перепечатать последнюю страничку.

Чтобы не происходила потеря генетического материала при делении клеток, у эмбрионов концы молекул ДНК наращиваются перед каждой репликацией короткими повторяющимися последовательностями. В этом участвует специальный фермент — теломераза. Однако в клетках взрослого организма этот фермент перестает работать, и в результате хромосомы постоянно укорачиваются, съеживаются, как шагреневая кожа, при каждом цикле репликации ДНК. Так происходит до определенного предела, после чего деление клеток становится, по-видимому, невозможным и наступает их гибель.

«Белые пятна» генома

На фоне всеобщей эйфории, связанной с секвенированием генома человека, мало внимания было обращено на то, что необходимо еще некоторое время для получения действительно полной последовательности нуклеотидов генома. На современной карте генома человека все еще зияет множество «белых пятен». В сумме они составляли на начало 2002 года всего около 3–5 %, что вообще-то сопоставимо с долей генома, занимаемой всеми генами. Причина этого заключается в первую очередь в существовании серьезных технических трудностей при секвенировании и картировании отдельных специфических участков ДНК. Так, некоторые нуклеотидные последовательности обладают нестандартной структурой, что усложняет процесс их расшифровки стандартными методами. В частности, это относится к таким районам хромосом, как теломеры — концевые участки, которые имеют необычную структуру. Их порой трудно выделять из общей массы нуклеотидных последовательностей в силу того, что они расположены на концах молекул ДНК. Другие участки трудно идентифицировать в связи с тем, что они часто повторяются и их пока не удается «вписать» в общий текст, поскольку не ясно, где их истинное место. Эти участки порой так похожи друг на друга, что нелегко понять, где какой из них точно расположен («Фигаро здесь, Фигаро там»). Такая ситуация характерна в основном для центромерных областей хромосом, содержащих тандемные кластеры альфа-сателлитных последовательностей, и районов расположения микро- и минисателлитов. Имеются проблемы и с секвенированием коротких «плечей» некоторых хромосом. Однако если сравнить эти проблемы с начальными этапами работы, то они теперь сродни «семечкам», большинство из которых исследователи безусловно «отщелкают» в самое ближайшее время, возможно даже еще до выхода в свет этой книги.