5. Генный обмен и переключения генов

В предыдущих главах этого раздела книги я не раз подчеркивал, что громадное большинство клеток и генов нашего суперорганизма являются микробными, а не человеческими, и объяснял, почему это обстоятельство имеет такое важное значение для физического благополучия людей и понимания природы человека. Факт, что более 99 % генов нашего тела приходится на долю микробиома, а не наших хромосом, – одно из самых сенсационных открытий в этой области знаний. Но что это значит? Допустим, некий продукт на 99 % лишен лактозы. Для большинства людей, чувствительных к лактозе, он будет полезным: его умеренное потребление позволит им избежать целого ряда расстройств. Но чем гены отличаются в этом отношении от лактозы? Или вы всерьез считаете, что 1 % человеческих генов оказывает на наш организм большее влияние, чем 99 % микробных генов? Как станет ясно в дальнейшем, ответ на этот вопрос, скорее всего, будет отрицательным, и связано это не столько с общим количеством тех и других генов, сколько со скрытым от наших глаз разнообразием их взаимодействий. Оба генома – человеческий и микробный – работают взаимосвязанно. Порой даже трудно определить, является ли тот или иной эффект результатом активности микробных или человеческих генов. Все клетки и гены нашего суперорганизма имеют очень древнее происхождение, и, хотя порой оно весьма туманно, они, безусловно, тесно взаимосвязаны и взаимозависимы.

Существует два основных механизма генетической регуляции с участием микробов и генов наших хромосом. Назовем их генным обменом и переключениями генов. Когда речь идет о генном обмене, нас в первую очередь интересуют прежний и настоящий обладатели генов и место, где они обосновались после обмена. Под переключениями генов подразумевают их рабочее состояние – включены они или выключены подобно настольной лампе. Обмен и переключения генов – главные инструменты, с помощью которых микробы утверждают свои права в нашем суперорганизме.

Генный обмен

Одно из главных недавних открытий в биологии – способность организмов обмениваться генами. Кто бы мог вообразить такое?! Те самые частицы, которые, как мы привыкли считать, делают нас людьми и определяют наши отличия от других существ, на самом деле являются предметом купли-продажи и просто обмена на своего рода рынке-толкучке. Оказывается, их можно продавать, словно товары на рынке, или просто отдавать в дар.

Исследователи, изучающие генный обмен, первым делом пытаются выяснить происхождение того или иного гена – появился ли он в результате обмена? Это почти равнозначно попытке определить, от каких далеких предков берут начало все гены, имеющиеся сегодня в наших хромосомах. А это, на мой взгляд, все равно что по очереди разглядывать всех современных жителей США и пытаться ответить на вопрос: где была родина древнейших предков всех этих людей? США – это плавильный котел множества народов, которые веками мигрировали из других регионов, стран и частей света в определенную географическую область Северной Америки. Эта миграция продолжается и в наши дни. Большинство предков людей, проживающих сегодня в США, первоначально жили в других частях света, и, соответственно, большинство их генов также имеют иноземное происхождение. Люди могут двигаться и перемещаться из одних мест в другие. Такой же способностью, оказывается, наделены и гены. А потому главной темой этой главы будет перемещение.

Прежде всего следует определить, какие биологические структуры имеют микробное происхождение, а какие свойственны нам как представителям группы млекопитающих. Как отмечалось в предыдущем разделе, одно из крупнейших открытий XX в. в области биологии было связано с напоминающими бактерий крошечными «энергетическими станциями» наших клеток – митохондриями. Эти органеллы находятся в цитоплазме – студенистом веществе клетки, окружающем ядро. По мнению большинства современных ученых, митохондрии – это остатки древних микробов (бактерий), которых в незапамятные времена каким-то образом поглотили наши предковые клетки, потому что эти бактерии могли использовать кислород для выработки энергии, а клетки-захватчики этого делать не могли. Митохондрии позволили этим клеткам использовать более разнообразные источники энергии, а о пользе диверсификация источников энергии говорит хотя бы тот факт, что сегодня это одна из главных новостных тем в глобальном масштабе: чтобы защитить Землю от экологической катастрофы, разные страны мира пытаются освоить альтернативные способы получения энергии. А если митохондрии произошли от микробов, то и содержащиеся в них гены первоначально были микробными генами. Ядро же – главная структура наших клеток – на все 100 % досталось нам от млекопитающих. И содержащиеся в ядре хромосомы никогда не компрометировали себя межвидовыми обменами и трансферами. Или все-таки компрометировали?

Главный способ, с помощью которого наши хромосомы могут приобрести ген от организма другого вида, представляет собой процесс, получивший название горизонтального переноса генов. В результате этого процесса организм одного вида передает часть генетического материала находящемуся по соседству организму другого вида (такими организмами могут быть существа разных видов, живущие внутри суперорганизма). Горизонтальный перенос генов может быть односторонним или двусторонним, то есть принимать форму обмена генами. Нередко в результате такого обмена один вид получает преимущества очень быстро, а другой – медленно. Это напоминает ситуацию, когда банк единовременно предоставляет клиенту всю сумму денег, необходимую для покупки нового дома (первоначальное преимущество для клиента-заемщика), но затем новый домовладелец вынужден в течение десятилетий погашать свой долг, включая выплату процентов (долгосрочное преимущество для банка).

Горизонтальный перенос генов осуществляется на протяжении жизни одного поколения живых организмов. Этим он отличается от вертикального переноса генов, который происходит во время размножения и предполагает перенос генов между поколениями – от родителей потомству. При вертикальном переносе генов у людей мать и отец передают свои хромосомы (через яйцеклетку и сперматозоид) будущему ребенку, развивающемуся из оплодотворенного яйца (зиготы). Кроме того, во время родов мать передает ребенку свой микробиом: так осуществляется вертикальный перенос микробных генов. Вертикальный перенос генов, о котором ученые знают давно, долгое время считался единственным способом передачи генетического материала. Горизонтальный перенос генов стал известен науке сравнительно недавно. Этот принципиально иной процесс предполагает межвидовое «перескакивание» генов. На первый взгляд он напоминает простое межвидовое «рукопожатие», но на самом деле немного сложнее и загадочнее.

В 1950 г. выпускница Корнеллского университета, генетик Барбара Макклинток, показала, что гены и в самом деле обладают подвижностью, могут «прыгать» и менять свое местоположение – по крайней мере на хромосомах в пределах клеточного ядра. Прошли десятилетия, прежде чем это революционное открытие было в полной мере оценено учеными и удостоено Нобелевской премии. Но, если гены и впрямь такие прыгучие, не могут ли они перескакивать между клетками организмов разных видов?

Предварительные результаты, опубликованные в 1950-х гг., показали, что такой процесс и в самом деле возможен между некоторыми бактериями, одной из которых является возбудитель дифтерии – дифтерийная палочка (Corynebacterium diphtheriae). Гены, перенесенные в этот микроб бактериальными вирусами бактериофагами, влияли на его вирулентность, то есть способность вызывать болезнь. Позднее ученые обнаружили, что бактериофаги могут переносить между бактериями различных видов и гены, обеспечивающие устойчивость микробов к антибиотикам.

Оказывается, человеческое тело – необычайно удобная конструкция для горизонтального переноса генов. Было установлено, что микробы, входящие в состав нашего микробиома, используют в качестве «толкучки» для обмена генами кишечник. Лишь совсем недавно ученые обнаружили, что различные виды бактерий, живущие в одном и том же месте человеческого тела, время от времени обмениваются друг с другом своими генами. Но может ли горизонтальный перенос генов осуществляться в том случае, если реципиентом генов является сложно устроенный организм – растение, животное или даже человек?

Вопрос о горизонтальном переносе генов у высших организмов, включая людей, дискутируется уже более десятилетия; одновременно обсуждаются и предположения, происходит ли при этом обмен генами или их однонаправленный перенос. В 2005 г. был продемонстрирован горизонтальный перенос генов между двумя видами растений – рисом и просом. Рис рисом – а как насчет людей? Могут ли микробные гены не только обосновываться в человеческих хромосомах, но и передаваться затем от родителя к ребенку во время размножения? В одном из наиболее убедительных на сегодняшний день исследований группа ученых из Кембриджского университета под руководством Алестера Криспа сфокусировала внимание на человеческих генах, обладающих замечательным сходством с генами бактерий, архей и грибов.

В человеческом геноме (то есть геноме, свойственном нам как млекопитающим), были идентифицированы десятки или даже сотни чужеродных генов – вероятно, микробного происхождения; похоже, многие из них кодируют белки с уникальной ферментной активностью. Благодаря таким функциям эти микробные гены наделяют наши клетки способностями к утилизации химических веществ, которые в противном случае у них попросту отсутствовали бы. Присутствие микробных генов в наших хромосомах вызывает ряд важных вопросов. Вписывается ли межвидовой горизонтальный перенос и скачки генов в дарвиновскую теорию эволюции? Имеет ли право «древо жизни», отображающее родственные узы между видами и ход эволюции, на существование в своем привычном виде или же оно представляет собой нечто иное? Быть может, оно больше похоже на раскидистое дерево пекана или грецкого ореха, сплошь опутанное огромными паутинными гнездами гусениц белой американской бабочки (Hyphantria cunea)? А если так, то какая часть этой «конструкции» приходится на дерево, а какая – на паутину гусениц?

Горизонтальный перенос генов от микробов человеку – сравнительно недавнее открытие, и никто еще полностью не уверен, что этот механизм – единственное объяснение присутствия микробных генов в человеческом геноме. Но свидетельства о существовании обмена генами между микробами, с одной стороны, и растениями и животными, с другой, настолько убедительны, что исключение людей из этого широко распространенного биологического процесса было бы явной натяжкой, граничащей с допущением, что в биологическом плане люди не имеют ничего общего с большинством животных. Сегодня большинство дебатов по этому поводу касается времени, когда происходили такие переносы генов, и видового спектра позвоночных, которых они затронули.

Древний перенос генов от микробов в хромосомы наших предков-млекопитающих означает, что некоторые из приблизительно 1 % человеческих «млекопитающих» генов на самом деле не имеют никакого отношения к млекопитающим. По крайней мере некоторые из тех генов, что присутствуют сегодня в наших хромосомах, попали в них из микробов. Таким образом, чем глубже мы всматриваемся внутрь себя, тем меньше остается от нас «человеческого», того, что не испытало бы на себе влияния микроорганизмов. Но если эти заимствованные у микробов гены позволили нам выполнять полезные, прежде недоступные для нас функции, значит, и эти функции, по сути дела, тоже имеют микробное происхождение. Таким образом, генный обмен, снабдивший наши человеческие клетки генами микробного происхождения, сделал границу между той частью нашего организма, которая свойственна нам как млекопитающим, и нашим микробиомом весьма расплывчатой.