Разбойничий набег диких генов на генетическое захолустье

 

 

На первый взгляд наш геном выглядит как бесплодная пустыня, но в нем таятся поразительные вещи: прыгающие гены, ученые, оживляющие спящую красавицу поцелуем, и кое-что из жизни фруктовых мушек с комментариями «геномного квартета».

 

Дорогая тетя Хедвиг!

Для начала пара замечаний:

1. На прошлой неделе я купил два новых картриджа для принтера и три пачки бумаги по 500 листов, которые внезапно бесследно исчезли. Мне кажется, я понимаю, куда они делись.

2. Каким образом ты взломала мой пароль к компьютеру?

3. Если уж ты по ночам сидишь за моим компьютером, то хотя бы не забывай его выключать! И, пожалуйста, замени заставку рабочего стола на прежнюю, потому что розовая кошечка, машущая лапкой, доводит меня до бешенства.

4. Я только что заново заправил принтер, и он тут же выплюнул очередную порцию твоей писанины – 151 страницу! Придется прочитать. Ведь все это напечатано на моем принтере, в конце концов…

 

Все заимствовано у самых разных авторов. Невыносимо скучно, невнятно и с кучей ошибок. Кроме того, постоянно повторяется одно и то же… Я не эгоист! Вся эта писанина ни на что не годна.

Сводить наш наследственный материал исключительно к генам весьма недальновидно. Возможно, такой подход позволит нам обнаружить красивую серебристую звезду, но мы не увидим прилагаемый к ней внедорожник «Мерседес», потому что гены, кодирующие производство белков, составляют чуть больше одного процента всего генома. А весь огромный и на первый взгляд бесполезный «остаток» вовсе не такой уж безжизненный, как может показаться.

Если мы на секундочку отвлечемся от деталей и попробуем увидеть всю картину целиком, то заметим, что между нашим геномом и текстом, написанным тетей Хедвиг, есть что-то общее… скажем, определенные литературные недоработки. В них присутствуют и ошибки, и повторы. А плагиат так и прет из всех щелей. Но люди в этом не одиноки. Геномы большинства животных и растений находятся в похожем состоянии. Однако давайте обо всем по порядку.

 

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

А: Эти постоянные повторы, которые демонстрирует мать-природа, просто действуют на нервы! Повторяю: просто действуют на нервы! Повторяю: просто дей…

 

Как и в тексте Хедвиг, в человеческом геноме есть места, которые все время повторяются. И они составляют более половины всей ДНК человека. Часть из них – это уже упомянутые теломеры (окончания хромосом), представляющие собой тысячекратные повторения последовательности ТТАГГГ и выполняющие роль узла, завязанного на конце веревки, чтобы она не расплеталась. Кроме того, они сигнализируют ремонтным машинам ДНК в клетках: «Здесь все в порядке! Проходите дальше».

 

 

В противном случае концы ДНК подвергались бы слишком большому износу и в аварийной ситуации просто связывались бы друг с другом на скорую руку. Такое слияние хромосом приводило бы к хаосу и в конечном итоге означало бы смерть клетки.

Но значительная часть повторений последовательностей в геноме объясняется другими, вполне эгоистическими причинами. Вопреки нашим ожиданиям, далеко не все гены без устали работают для того, чтобы обеспечить организму (то есть нам с вами) хорошую жизнь и приятные вечера на диване у телевизора. Среди них существуют такие, которым наплевать на общее дело. Они ведут себя в геноме как блохи на собаке, то есть паразитируют. Им безразлично, как чувствует себя собака. Личный интерес этих генов состоит в том, чтобы размножаться самим. Но у них есть и еще кое-что общее с блохами: они умеют прыгать. Имеются в виду не прыжки в высоту и не прыжки в мешках, а перескакивание с одного места ДНК на другое, а если повезет, то и в другой организм. Препятствием для них не является даже то, что этот организм может относиться к другому виду. Такие гены называют прыгающими, или транспозонами.

В общих чертах прыгающие гены подразделяют на два вида: ретротранспозоны и ДНК-транспозоны. Ретротранспозоны побуждают мРНК клеток изготавливать копии самих себя, чтобы использовать их для производства белков. Среди них выделяется реверсивная транскриптаза, обладающая небывалой способностью переводить РНК в ДНК. Такое умение поразительно, поскольку противоречит догме молекулярной биологии, сформулированной самим Фрэнсисом Криком. Она гласит, что ДНК может переводиться в РНК, но ни в коем случае не наоборот. И все же этот белок существует и, скорее всего, даже не подозревает о каких-либо догмах.

Ретротранспозоны используют свои особые способности, чтобы переводить себя в ДНК, а потом вставлять полученную копию фрагмента ДНК в другой участок генома.

Что же касается ДНК-транспозонов, то они не утруждают себя манипуляциями с РНК, а напрямую вырезают нужный фрагмент ДНК с помощью кодируемых ими же белков и вставляют его в другой участок.

Но такой процесс размножения (и транспортировки) не обеспечивает стопроцентной надежности, поэтому большинству транспозонных копий, которые мы находим в геноме, свойственны дефекты. У них отсутствуют какие-то куски, последовательности подвержены мутациям и записаны с ошибками. Такие копии не могут прыгать самостоятельно, но это вовсе не значит, что им суждена гибель. Некоторые транспозоны с дефектными белками «ездят на попутках», используя белки родственных транспозонов (так же как некоторые члены семьи время от времени пользуются чужим компьютером…).

Самыми распространенными ретротранспозонами человека являются Alu-повторы, которых насчитывается свыше миллиона копий (около 10 процентов всего нашего генома), и длинные диспергированные повторы LINE-1 (примерно полмиллиона копий и 18 процентов генома). Alu-повторы намного меньше по объему, поскольку у них нет собственной реверсивной транскриптазы, которую они заимствуют у LINE-1.

Перескакивание транспозонов на новое место может иметь неприятные последствия для организма, приводя к разрушению генов и хромосом. Например, встраивание LINE-1 в гены, отвечающие за свертываемость крови, является одной из причин гемофилии. Поэтому клетки защищаются от подобных прыжков с помощью целого арсенала средств. Они упаковывают траспозоны таким образом, чтобы их невозможно было прочитать, или маркируют скопированную с них РНК как подлежащую уничтожению. Ситуацию усугубляют случайные мутации, со временем накапливающиеся в последовательностях транспозонов. Из-за них некоторые наши прыгающие квартиранты порой так видоизменяются, что перестают функционировать. В активном состоянии находится всего 80-100 транспозонов LINE-1, а более чем из миллиона Alu-повторов лишь около 6 тысяч в состоянии передвигаться с помощью взятых взаймы белков, но обычно организм старается и их держать в состоянии покоя. Только в нервных клетках мозга несколько лет назад была отмечена повышенная активность прыгающих генов. Почему так происходит и связаны ли эти изменения в нейронах с развитием личности, пока еще не выяснено.

Что касается ДНК-транспозонов, то с ними дела обстоят еще хуже, чем с ретротранспозонами. Во многих эукариотах они, похоже, полностью выродились, и единственное, что еще можно обнаружить, – это испорченные копии, которые уже давным-давно хранятся в геноме, словно ископаемые кости динозавров.

Но есть одна группа ДНК-транспозонов, живые представители которой все еще встречаются, по крайней мере, в некоторых организмах. Это суперсемейство ТС1/mariner. Оно может похвастаться долгой и славной историей. Его члены смогли широко распространиться по миру и в числе прочих завоевать геномы грибов, растений, насекомых, рыб и млекопитающих (в том числе человека). Правда, сегодня их лучшие времена остались позади и наряду с бесчисленными испорченными ископаемыми копиями можно найти в отдельных организмах максимум десяток активных экземпляров, а у позвоночных животных – вообще ни одного.

Однако ученым было интересно, что представляли собой транспозоны позвоночных и как они функционировали. Чтобы это выяснить, они собрали и сравнили остатки ТС1/mariner у восьми пород лососевых рыб. Таким образом на основе разрозненных фрагментов удалось реконструировать действующую последовательность гена. Затем был сделан следующий шаг – искусственное воссоздание этого короткого участка ДНК. И надо же – он заработал!

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.

 

– 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).

Кроме того, значение имеет и количественный фактор. Как правило, в генетическом материале эукариотов присутствует намного больше транспозонов, чем других генов. В частности, у человека на примерно 20 тысяч генов приходится более 1,5 миллиона транспозонов и их остатков, с которыми можно что-то предпринять. А поскольку эволюция производит что-то новое, колотя молотком с завязанными глазами, лучше иметь под рукой мешок гвоздей, чем пригоршню. В этом случае шансы на успех повышаются.

И действительно, некоторые белки организма человека образовались от транспозонов (примерно 4 процента наших генов в молодости были прыгунами). Например, один из вариантов реверсивной транскриптазы (теломераза) заботится о сохранности наших хромосом, а в иммунной системе используется ДНК-транспозон, составляющий все новые гены антител из разрозненных фрагментов ДНК. Кроме того, транспозоны оказывают влияние на соседние гены. Переходя на них, транспозоны изменяют последовательности этих генов и таким образом осуществляют их регулирование. По-видимому, примерно четверть контрольных участков всех наших генов возникла в результате действий транспозонов.

Таким образом, с точки зрения эволюции транспозоны не так уж вредны, поскольку дают возможность относительно быстро вносить изменения в геном, что ведет к развитию вида. Именно с их помощью можно максимально быстро адаптироваться к изменениям или вообще к полной смене окружающей среды.

На самом деле складывается впечатление, что серьезные изменения в образе жизни тех или иных видов зачастую совпадают с увеличением количества транспозонов в наследственном материале. Так, первые виды, которые после миллионов лет жизни в воде решили, что есть смысл время от времени прогуливаться по свежему воздуху (например, саламандры и двоякодышащие), обзавелись очень обширными геномами с большим количеством транспозонов. При этом главную роль играли не транспозоны как таковые, а изменения, которые они вызывали своими прыжками в геноме. Из-за них ломались и заново восстанавливались хромосомы, терялись или, наоборот, дублировались части генома. Природе было где разгуляться! Когда первые крупные изменения закончились, началась «шлифовка». Геномы усовершенствованных видов зачастую вновь сокращались в размерах и избавлялись от излишков наследственного материала (в том числе и от транспозонов).

В нашей собственной истории, по-видимому, тоже произошло нечто похожее, причем совсем недавно (с точки зрения эволюции). После того как пути древних людей и шимпанзе разошлись, нашим предкам пришлось столкнуться с рядом новых вызовов. Если сравнить наш сегодняшний геном и геном нашего ближайшего родственника – шимпанзе, то бросается в глаза, что за последние шесть миллионов лет мы приобрели примерно 10 тысяч новых копий транспозонов, отсутствующих у обезьян. Попутно в нашем геноме за это время две хромосомы срослись в одну. Поэтому, в отличие от шимпанзе и других приматов, у нас сейчас только 23 пары хромосом.

 

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Г: Всякие вводные слова и отступления – я сознательно формулирую проблему подобным образом – это на любителя (если только не перебарщивать), потому что доступность и понятность текста (хотя о какой доступности тут вообще можно говорить?) должны все же сохраняться, пусть и не на уровне безъядерных одноклеточных.

 

Хедвиг – большая любительница вводных слов (особенно когда речь идет о племяннике). Наши гены тоже составлены таким образом, что заново прочитанная РНК далеко не сразу может использоваться для производства белка. Прежде чем приступать к каким-то осмысленным действиям, она должна пройти через руки генетических редакторов, которые вычеркнут из нее множество лишних пассажей.

Почему же наш сегодняшний геном составлен так сложно, в то время как бактериям и археям удается сохранять свой генетический материал, не допуская проникновения в него побочной информации? Причина – в истории развития эукариотов. Предположительно все началось с того, что какая-то хитрая архея поглотила бактерию. Но закончился этот эпизод не перевариванием вкусной добычи, а успешным партнерством. Со временем бактерия превратилась в митохондрию и стала снабжать клетку огромным количеством энергии в форме АТФ, а энергичная архея взяла на себя заботы обо всем остальном. Следствием этой сделки стала постепенная утрата митохондрией части своих генов. Некоторые из них переселились в геном археи и предоставили ей новые эволюционные возможности, ставшие стартовым выстрелом для возникновения эукариотов.

Но у этой истории успеха была и обратная сторона. Мы считаем, что вместе с геномом митохондрий на борт проник и пассажир-безбилетник, обосновавшийся в геноме археи. Это был родственник ретротранспозона, принадлежавший к эгоистичным генам «бактериальные интроны группы II» (такое имя им явно дали не любители плодовых мушек, иначе их называли бы «потрошителями» или «веселыми скакунами»). Однако по сравнению с ретротранспозонами у интронов группы II возникает колоссальная проблема: они не могут заставить клетку переписать свою последовательность нуклеотидов в РНК. А без такой РНК произвести транспозонные белки и создать новые копии невозможно. Для выживания они используют хитрый трюк: перепрыгивают непосредственно в гены хозяина. Когда тот начинает использовать свои гены, образуется мРНК, которая уже содержит последовательности транспозона. Все так просто? Да нет, как раз наоборот. Ведь мРНК нужна клетке, чтобы произвести жизненно важный белок, а дополнительная нуклеотидная последовательность чужого гена вносит изменения в инструкцию по его производству. Для клетки это плохо, но плохо и для эгоистичного гена, который, убивая хозяина, погибает сам. Однако в тот момент, когда ситуация полным ходом летит в тартарары, эгоистичная РНК внезапно совершает головокружительный трюк: вырезает сама себя из общей РНК и аккуратно «склеивает» место разреза, восстанавливая прежние функции. Эта перестройка на лету получила название сплайсинга (раньше данный термин означал сращивание двух концов корабельных снастей). Фрагмент, извлеченный из РНК, ведет себя после этого как обычный транспозон. Он переписывается в ДНК и оседает где-то в геноме. Данный процесс отлично зарекомендовал себя в первых клетках, которые еще только превращали «пленные» бактерии в митохондрии. Из одной копии появлялись сотни, а из сотен – тысячи. Расширение шло по нарастающей. Но такой взрыв не мог остаться без последствий, поскольку клетка была не способна отличить сращенные и готовые к чтению мРНК от тех, в которых процесс ремонта еще не завершился. Наступил полный хаос!

Дефектные мРНК начали в массовом порядке производить неправильные белки. Возникшее состояние оказалось серьезным вызовом для эволюции. Мы предполагаем, что клеткам удалось решить эту проблему за счет того, что они окружили свой наследственный материал мембраной. Внутри этой оболочки, куда не было доступа интронам, на основе ДНК производились мРНК и только после этого выводились наружу. Именно эти экспортированные части мРНК, получившие название экзонов, служили для рибосом инструкциями по производству белков. Вот так в клетках образовалось ядро, в результате чего они стали первыми эукариотами. В современных эукариотах интроны группы II утратили способность к самостоятельным прыжкам и активному размножению. Но остатки этих нитронов еще существуют; их можно встретить повсюду в наших генах. Теперь клеткам самим приходится трудиться, чтобы создать работоспособную мРНК. Для этого они обзавелись хитроумной машиной – сплайсосомой, – состоящей из молекул РНК и белков. Она удаляет неработающие последовательности РНК, что крайне необходимо, поскольку человеческие клетки содержат в среднем более восьми интронов на один ген. Но это далеко не предел. Ген дистрофии содержит 78 интронов, которые увеличивают инструкцию по производству белка с 14 тысяч необходимых нуклеотидных пар до фантастической длины – 2,2 миллиона оснований. По некоторым оценкам, клетке пришлось бы потратить 16 часов, чтобы изготовить РНК таких размеров.

А что же интроны группы II? Они по-прежнему встречаются в бактериях, хотя и весьма редко (вряд ли это может кого-то удивить, если иметь в виду вызываемые ими последствия, да еще в условиях отсутствия у бактерий ядра). Для эукариотов характерны другие, очень редкие виды интронов, которые также способны вырезать себя из мРНК, но они уже не играют особой роли.

Вся эта история напоминает рассказ о катастрофе, которой чудом удалось избежать. Но тот факт, что сегодня наши гены под завязку забиты измененными до неузнаваемости интронами, опять-таки открывает перед нами новые возможности. Разложив кодирующие участки генов на экзоны, интроны снабдили нас «кирпичиками», из которых довольно легко можно составить новые белки.

Так, например, вместо того чтобы последовательно соединять экзоны 1, 2, 3 и 4, клетка может поэкспериментировать и выяснить, не получится ли что-нибудь полезное, если использовать только экзоны 1, 2 и 4; взять вместо экзона 2 экзон 2а или позаимствовать экзон 7 из соседнего гена… Количество вариантов безгранично. Экзоны и сплайсинг стали для эволюции гигантским конструктором.

 

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Ц: Последнее издание книги «Мой чудесный геном» изобилует опечатками. Глаз постоянно натыкается на ошибки и фрагменты, не имеющие отношения к содержанию. Это, конечно, плохо, но давайте не будем обольщаться. Несмотря на обещание матери-природы «при случае все еще раз перепроверить и основательно подкорректировать, выбросив все ненужное», мы вряд ли дождемся этого в скором времени. Ведь она обещает это уже почти четыре миллиарда лет!

 

Вы знаете, что такое уксусноамиловый эфир? А 4-метокси-2-метил-2-бутантиол и 2-фенилэтанол? Никогда не слышали и не видели? Вполне возможно. И все же эти вещества вам знакомы, потому что вы не раз их нюхали. Просто никогда не думали: «Хм-м-м, как же вкусно пахнут эти уксусноамиловый эфир и 4-метокси-2-метил-2-бутантиол». Вам доставлял удовольствие аромат бананов и черносмородинового ликера «Кассис». Покупая возлюбленной духи, вы выбираете запах не 2-фенилэтанола, а розы (если только она не помешалась на химии и из всех ухажеров отдает предпочтение отъявленным «ботаникам»).

Но как наш нос улавливает все эти непроизносимые вещи? Внутри его скрывается отлично оборудованная химико-аналитическая лаборатория. Испускаемые розой молекулы, попадая вместе с воздухом в нос, проходят длинный путь по слизистой оболочке, снабженной различными рецепторами запахов. Каждый такой рецептор «ощупывает» молекулу со всех сторон в поисках определенных химических структур. Обнаружив знакомую структуру, он посылает в мозг сигнал: «Я поймал ее!» Мозг собирает все сигналы воедино и на этой основе довольно уверенно идентифицирует аромат розы.

В носу человека примерно 400 видов обонятельных рецепторов, с помощью которых мозг способен распознать более миллиарда различных запахов. Эффективная, но не очень экономная система, поскольку для каждого рецептора требуется особый ген. Откуда же взялись эти 400 генов?

Если внимательно присмотреться, можно заметить, что все они подозрительно похожи друг на друга, как будто речь идет о плохих копиях одного и того же гена. Именно это и произошло на самом деле. В ходе эволюции нередко происходит удвоение фрагментов генома, например когда деление клетки происходит с ошибками или возникают проблемы с ремонтом ДНК.

Бывает, что и ретротранспозоны, скачущие по геному, выходят из-под контроля, самовольно изготавливают копию ДНК на основе мРНК и где-то откладывают ее. Такие копии отличаются от оригинала тем, что не содержат последовательностей интронов и хранятся зачастую далеко от подконтрольных им генов.

В случае такого удвоения в организме внезапно появляется лишняя копия какого-то гена. Это может оказаться и преимуществом, но чаще влечет за собой неприятности. В такой ситуации эволюция умывает руки, откидывается на спинку кресла, запасается попкорном и просто наблюдает, что будет дальше. Со временем в геноме накапливаются мутации. Рано или поздно они затрагивают одну из двух копий гена. До этого момента они были идентичны, но теперь в них появляются различия. Если одна из копий изменяется настолько, что осваивает какую-то новую и полезную функцию (например, распознает новую составную часть запаха), то появляется шанс, что в будущем обе копии получат право на жизнь.

Но если одна из копий в результате мутации разрушается, то остаются только руины прежнего гена – псевдоген. Он хранится в наследственном материале до тех пор, пока природа не вытрет пыль мокрой тряпкой и не уничтожит его ДНК (что происходит не так уж часто). Эти ископаемые останки генетической борьбы за выживание встречаются в нашем геноме на каждом шагу. Всего там можно обнаружить около 20 тысяч псевдогенов, то есть примерно столько же, сколько и действующих генов. Представляете себе эту неразбериху? Таким образом, наряду с активными копиями генов обонятельных рецепторов можно отыскать еще, как минимум, столько же псевдогенов.

Вообще-то оснащенность человека рецепторами запахов можно охарактеризовать как весьма скудную. Имея 400 генов, мы играем в одной из низших лиг. Крысы, мыши и опоссумы представляют высшую лигу: у них соответствующих активных генов втрое больше, чем у нас, а дефектных, наоборот, меньше.

Причина заключается в том, что у людей обоняние играет уже не такую важную роль, как у других животных. Мы значительно больше полагаемся на зрение и слух. Многих запахов, воспринимаемых мышью, мы просто не чувствуем. Например, мыши различают запах углекислого газа. Это очень полезное качество, потому что углекислый газ «без цвета и без запаха» (с точки зрения людей) скапливается как раз у поверхности земли и в различных полостях, где обитают мыши, и при достижении большой концентрации вызывает смерть от удушья.

Но не только мыши и люди отличаются друг от друга своим восприятием. Если взять вас и вашего соседа, то вы тоже живете с ним как бы в разных мирах. Один и тот же запах может казаться ему тошнотворным, а вам – вполне обычным, поскольку гены обонятельных рецепторов уникальны. К примеру, каждый десятый человек не чувствует запаха синильной кислоты, который имеет легкий оттенок миндаля. Каждый тысячный не воспринимает убийственной вони бутантиола, содержащегося в секрете желез скунса.

Невольно возникает вопрос: зачем мы таскаем с собой столько дефектных генов? Он не случайно служит темой острых дискуссий в среде ученых. Действительно ли все псевдогены мертвы или они взяли на себя другие обязанности, о которых мы еще не знаем? В последнее время мы уже вскрыли несколько функций псевдогенов. Некоторые из них, например, занимаются регулированием функций генов. Даже если они сами не производят нужных белков, то могут изготавливать до 20 процентов необходимых для данной цели мРНК. И в этом есть смысл. Мы уже знаем, что наши клетки целенаправленно создают короткие кусочки РНК, соединяющиеся затем с мРНК, в которых кодируются белки, и тем самым управляющие эффективностью производства белков. Если же наряду с мРНК имеется еще и подходящий вариант псевдогена, отвлекающий на себя часть регуляторов, то это дает возможность еще точнее управлять производством белков, что также является преимуществом!

Таким образом, видимо, не все псевдогены мертвы. Часть из них выступает как бы в роли привидений, которые вмешиваются в жизнь оставшихся в живых родственников. Другими словами, в нашем наследственном материале происходят очень странные вещи.

 

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Т: В заключение затронем острую тему: плагиат! Боже мой, чего тут только не назаимствовано! Похоже, кто-то попытался украсить посредственный текст вырезанными из журналов подписями к фотографиям, заметками из блогов, цитатами из Шекспира и выдержками с упаковки малинового йогурта. Откуда тут все это? Вы спросите, как я это оцениваю? Великолепно! Потому что все это работает… как ни странно.

 

Мы, люди, в принципе весьма мелочны, когда начинаем выяснять, что кому принадлежит и кто что изобрел. Бактерии и археи более снисходительны к подобным вещам и свободно обмениваются друг с другом генетическим материалом.

Основной (но не единственный) путь генетического обмена между бактериями пролегает через F-плазмиды, или плазмиды размножения, которые входят в состав генома некоторых бактерий. Плазмиды представляют собой довольно маленькие кольца ДНК с небольшим количеством генов.

В F-плазмиде эти гены активно способствуют сближению бактерий. Бактерия – носитель плазмиды – становится «донором» генов. Белки, гены которых расположены на плазмиде, образуют на поверхности бактерии ворсинки – половые пили (да, именно так они и называются). С помощью этих пилей осуществляется активный поиск других бактерий, не имеющих F-плазмид. При этом не имеет значения, о каких бактериях идет речь – того же или совершенно иного типа. Чувство стыда бактериям неизвестно. Как только половые пили вступают в контакт с другой бактерией, они укорачиваются и подтягивают ее к себе. А когда обе бактерии соприкасаются, между ними возникает связь, в ходе которой F-плазмида изготавливает собственную копию и внедряет ее в другую клетку. При этом зачастую передаются не только гены F-плазмиды, но и другие фрагменты ДНК, которые могут оказаться потенциально полезными, например формировать устойчивость против ядов и антибиотиков. Могут передаваться также гены, делающие доступными для бактерий новые виды питания.

Недавно в Японии выявили загадочный случай переселения генов: у кишечной бактерии нашли два энзима, которые встречаются только у морских бактерий. В этой связи возникает два вопроса:

1. Как эти специфические гены попали в человеческий кишечник?

2. Что им там нужно?

На оба вопроса можно дать простой ответ: суши. Но давайте по порядку. Оба энзима помогают морским бактериям переваривать трудноусвояемые сахариды водорослей (агарозу и порфиран). Речь идет именно о тех водорослях, из которых изготавливают нори – черно-зеленую оболочку для заворачивания риса и рыбы. Вполне возможно, что отдельные морские бактерии попали в организм человека вместе с суши. Там они встретились с местными бактериями и обменялись с ними некоторыми генами. Теперь гены морских бактерий позволяют кишечным бактериям усваивать сахара из водорослей, с которыми они раньше не справлялись. Таким образом, эти гены приносят пользу, по крайней мере японцам, которые регулярно и в достаточно больших количествах потребляют нори и суши.

Как видим, бактерии весьма непринужденно обращаются с чужим генетическим материалом, способствуя таким образом горизонтальному переносу генов. Но они не единственные, кто включает в свой геном украденный наследственный материал. Подобные вещи свойственны даже существам из «высших кругов»!

 

 

Знаменитый похититель генов скрывается в лесной полутьме. Это папоротник. Если бы он предстал перед судом за воровство, то поведал бы в свое оправдание трогательную историю… Он рассказал бы, что у него просто не было другого выхода. Его вынудили к этому цветковые растения!

В течение миллионов лет папоротники являлись королями мира растений. Все леса нашей планеты состояли из древовидных папоротников и хвойных деревьев. Но однажды где-то в подлеске раскрылась первая почка. Вообще самая первая. Прекрасно! Но этот факт, воспринятый поначалу папоротниками как курьез, через несколько миллионов лет стал настоящей проблемой, потому что цветковые растения начали сотрудничать с насекомыми, причем очень успешно. Они выросли в размерах и превратились в огромные деревья, украшенные цветами и густой листвой, которая заслоняла папоротникам солнечный свет и изгоняла их во все более дальние и мрачные уголки леса. Для светолюбивых папоротников это стало настоящей катастрофой. Они не могли выжить в такой чащобе.

Возможно, сегодня мы не нашли бы ни одного папоротника в густом лесу, если бы не одно благоприятное обстоятельство. Одна из спор папоротника угодила во влажный тенистый уголок и, пробиваясь в темноте сквозь лесную почву, заметила по соседству другую спору, которая, по всей видимости, была вполне довольна имеющимися условиями. Она принадлежала одному из видов мха семейства антоцерото-видных. Мхи и па<