Книга Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Давая этому гену имя, исследователи поддались романтическому настроению. Поскольку им удалось разбудить транспозон, вероятно, после многих тысячелетий сна, они нарекли его «спящей красавицей». С тех пор эта «красавица» прыгает в лаборатории с одного гена на другой и помогает решать научные проблемы. И если она еще не умерла, то живет и поныне!

Если вы хотите получить самые свежие данные, то у вас есть возможность наблюдать драму жизни ДНК-транспозона в режиме реального времени – в организме фруктовых мушек дрозофил. Мухи Drosophila melanogaster с давних пор являются важными помощниками в биологических исследованиях. Первые из них были отловлены еще в 1900 году и с тех пор выращиваются в лабораториях. После примерно 70 лет изоляции американская исследовательница в области эволюции Маргарет Кидуэлл решила добавить в их популяцию свежую кровь, скрестив только что пойманных «диких» самцов Drosophila melanogaster с лабораторными самками. Полученных результатов не ожидала даже она сама: потомство оказалось бесплодным и для него были характерны самые разнообразные мутации. Что же произошло?

В настоящее время существуют некоторые предположения по поводу этой драмы, на основе которой можно снять блокбастер: Drosophila melanogaster в течение многих тысяч лет летала, счастливая и довольная, по западноафриканским джунглям, а тут вдруг появились европейцы на своих кораблях в поисках рабов. Но из Африки вывозили не только людей. На борт кораблей, отправлявшихся к Карибским островам, грузили также фрукты, а вместе с ними туда попадали и голодные особи Drosophila melanogaster. Затем эти иммигранты распространились по всему континенту (а сегодня встречаются повсюду в мире). Но они были не первыми. В Центральной и Южной Америке они встретились со своими местными родственниками Drosophila willistoni. Оба вида и не думали скрещиваться, но вынуждены были делить друг с другом жизненное пространство. Это обстоятельство использовал к своей выгоде так называемый Р-элемент – ДНК-транспозон, который уже долгое время вел довольно скучное существование в геноме D. willistoni. Он подумал, что было бы неплохо попробовать перепрыгнуть на каких-нибудь других мух… Но как?

Мы не знаем в точности, как это произошло, однако предполагаем, что некий клещ, паразитирующий на обоих видах, перенес данный ген на своих челюстях на D. melanogaster. Таким образом, P-элемент перекочевал с одного вида животных на другой. В данном случае говорят о горизонтальном переносе генов (под вертикальным переносом понимается наследование генов детьми от родителей). Организм D. mela nogaster был не готов к вторжению, поэтому ничего не смог противопоставить транспозону, а тот продолжал прыгать и размножаться без помех, создавая генетический хаос, включавший в себя ряд вредных мутаций.

Это могло бы означать скорый конец для зараженных мух и заодно P-элемента, но ситуация в определенной степени нормализовалась сама собой. Отчасти процесс был заторможен самим транспозоном, так как он мог производить белки для своих прыжков только в яйцеклетках, из которых впоследствии появлялось потомство. Во всех остальных видах клеток он не функционировал. Вследствие этого мухи не падали тысячами замертво с ананасов из-за постоянных мутаций во всем организме. Но в конечном счете собственный успех превратился для P-элемента в препятствие: среди множества новых копий гена начали попадаться дефектные версии, производившие «неправильный» белок и мешавшие своим здоровым собратьям. Вдобавок ко всему муха сама построила западню для чужеродных генов. В ее геноме есть фрагмент, который представляется транспозонам особенно заманчивой целью. Стоит только одному из них там обосноваться, как начинает происходить считывание последовательности нуклеотидов, но вместо того, чтобы использовать возникающую РНК для производства белков, клетка делает нечто совершенно противоположное: режет ее на мелкие кусочки и встраивает их в так называемые piwi-белки, которые патрулируют в яйцеклетках. Там они служат как бы опознавательной фотографией для поиска других мРНК-транспозонов. После обнаружения они сразу же уничтожаются.

Piwi – сокращение от P-element-induced wimpy testis, что в переводе означает «вызванное Р-эяементом сморщивание яичек». Это позволяет сделать три вывода:

1. Piwi-белки были открыты при изучении Р-элемента.

2. Если не противодействовать P-элементу, то у самцов дрозофилы происходит деградация половых органов.

3. Исследователи дрозофил – симпатичные люди, потому что дают своим открытиям веселые названия.

Все это говорит о том, что некоторые мухи нашли меры противодействия, не позволяющие P-элементу прыгать как расшалившемуся щенку. Для них он теперь не представлял особой проблемы. Тем не менее, когда зараженные самцы спаривались с самками, не сталкивавшимися ранее с Р-элементом, то проблемы возникали уже у потомства.

После великого скачка через межвидовую границу P-элементу потребовалось, по-видимому, 30–40 лет, чтобы распространиться на всю популяцию D. melanogaster. Единственными мухами, которых это не коснулось, оказались те, что сидели в лабораториях за стеклом. А что бывает, когда они впервые встречаются с P-элементом, Маргарет Кидэулл узнала на собственном опыте.

Но на этом история P-элемента не закончилась. Похоже, что на рубеже нового тысячелетия он совершил скачок с D. melanogaster на очередной вид дрозофил – D. simulans – и продолжает свое победное шествие. Распространение происходит пока в Южной Африке и Флориде. За ними последует и весь остальной мир. Уже определены и следующие цели P-элемента: D. mauritiana и D. sechellia.Произойти это должно уже скоро, поскольку оба названных вида способны скрещиваться с D. simulans.

Транспозоны являются нашим спутником, как и всех других живых организмов на нашей планете, с незапамятных времен. Предполагается, что они присутствовали уже при самом зарождении жизни, когда в мире РНК появились первые клетки. Именно реверсивная транскриптаза подозревается в том, что стала провозвестником конца мира РНК ввиду своей способности переписывать наследственную информацию с РНК на ДНК.

Последующие взаимоотношения живых организмов с транспозонами вряд ли можно назвать односторонними. Конечно, транспозоны, руководствуясь своими эгоистическими интересами, засоряют наш геном, но это не значит, что в генетическом мусоре нельзя отыскать какие-то положительные черты. Давайте представим себе комнату, заваленную целыми, дефектными и неполными транспозонными генами. Все это выглядит довольно неопрятно, но, если природе вдруг захочется смастерить новый ген, у нее под рукой окажется целый склад заготовок. Из поломанных генов и их фрагментов образовать в результате случайных мутаций новый полезный ген значительно легче, чем из ничего. Строить всю эволюцию только на генах, которые нам жизненно необходимы, очень трудно. Ведь они непрерывно задействованы и их переделка с целью изменения функций может причинить вред организму (например, из передней вилки велосипеда можно без особого труда сделать шикарный подсвечник, но после этого уже нельзя будет кататься на велосипеде).