Введение в темную материю генома

Представьте себе напечатанный на бумаге сценарий пьесы, фильма, телевизионного шоу. Любой может прочесть его, как книгу. В этом нет ничего сложного. Но сценарий делается гораздо мощнее, когда на его основе что-то создают. Перед нами уже не просто вереница слов на листке, когда эти слова произносят вслух, а уж тем более — когда их исполняют профессиональные актеры.

Вот и с ДНК, по сути, такая же история. Это, в общем, тоже сценарий, но совершенно необычный. При помощи весьма скудного алфавита, состоящего всего из 4 букв, ДНК ухитряется нести в себе код для самых разных организмов, от бактерий до слонов, от пивных дрожжей до синих китов. Хотя ДНК в пробирке — штука довольно скучная. Ничего она там не делает. ДНК становится куда интереснее, когда клетка или организм использует ее, чтобы, так сказать, поставить пьесу. ДНК обеспечивает код для создания белков, а белки жизненно необходимы для процессов дыхания, питания, избавления от продуктов жизнедеятельности, размножения — и всех прочих функций, характерных для живых существ.

Белки — настолько важная вещь, что в XX веке ученые именно через них давали определение гену. Ген описывали как участок ДНК, кодирующий тот или иной белок.

Возьмем самого знаменитого драматурга всех времен и народов — Шекспира. На волну его текстов не всем легко настроиться, потому что с шекспировских времен английский язык успел довольно сильно измениться. Но все равно мы всегда твердо уверены: Бард писал лишь те слова, которые хотел вложить в уста актеров.

Иными словами, Шекспир не писал чего-то такого:

Нет. В своих знаменитых строках он написал лишь подчеркнутые здесь слова:

To есть «А rose by any other name would smell as sweet».

Но наш ДНК-сценарий не покажется нам таким же благоразумно-компактным, как шекспировская строка. Каждый участок, кодирующий белок, представляет собой, в сущности, целое море бессмысленной чепухи, где плавает одно-единственное осмысленное слово.

Много лет ученые никак не могли объяснить, почему такое количество нашей ДНК не кодирует никаких белков. Эти некодирующие участки пренебрежительно назвали термином «мусорная ДНК». Однако со временем ученые стали приглядываться к мусорной ДНК все внимательнее, причем по целому ряду причин.

Пожалуй, наиболее фундаментальная из них — огромная доля мусорной ДНК в наших клетках. В 2001 году специалисты наконец завершили расшифровку человеческого генома (так называемое секвенирование). Какое же открытие стало для них едва ли не самым сильным потрясением? То, что более 98% ДНК в человеческой клетке относится именно к категории мусорной. Иными словами, эти 98% не кодируют никаких белков! Аналогия с шекспировскими произведениями, которую мы привели выше, на самом-то деле получилась даже упрощенная. По генетическим меркам отношение объема «чепухи» к объему осмысленного текста в человеческом геноме примерно в 4 раза выше, чем в нашем примере: больше 50 букв всякого сора на одну букву осмысленных слов.

Можно предложить и другие сравнения. Представьте, что мы с вами посещаем автомобильный завод, где выпускают, скажем, что-нибудь ужасно сложное вроде «феррари». Мы очень удивимся, если увидим, что на каждых 2 рабочих, которые честно собирают сверкающий красный спорткар, приходится 98 бездельников, которые сидят сложа руки. Это было бы нелепо и смешно. Почему же так происходит в нашем геноме? Разумно ли такое положение вещей? Ну да, именно несовершенства живых существ зачастую служат самыми убедительными доказательствами того, что эти самые существа произошли от какого-то общего предка (пример такого «несовершенства» — аппендикс, который человеку вроде бы не очень-то и нужен). Но не заходим ли мы слишком далеко в наших рассуждениях о подобных «лишних» компонентах организма?

Вот куда более правдоподобный сценарий. На каждых 2 рабочих, собирающих автомобили, приходится 98 сотрудников, делающих все остальное. Благодаря этому идет работа и развивается бизнес. На заводе ведь занимаются не только сборкой машин как таковой. Кто-то должен изыскивать финансирование, вести бухгалтерию, рекламировать товар, следить за выплатой пенсий бывшим сотрудникам, чистить туалеты, продавать произведенные машины и тому подобное. Вероятно, это более удачная модель, описывающая роль «мусора» в нашем геноме. Можно относиться к белкам как к своего рода конечным продуктам, необходимым нам для жизни, но без «мусора» их никогда бы не произвели как полагается. Без «мусора» само их производство не удалось бы как следует скоординировать. Два человека могут соорудить машину, но они не сумеют поддерживать на плаву целую компанию, которая такими машинами торгует, и уж тем более — превратить ее в успешную, процветающую фирму. С другой стороны, нет никакого смысла держать 98 сотрудников для подметания полов и дежурства в салонах продаж, если продавать нечего. Вся организация работает лишь тогда, когда все ее компоненты находятся на своем месте и занимаются своим делом. Точно так же и с нашим геномом.

Секвенирование человеческого генома принесло и еще одно потрясение. Выяснилось, что бесчисленные тонкости человеческой анатомии, физиологии, разума и поведения нельзя объяснить при помощи классической модели, описывающей гены. Если говорить лишь о количестве генов, кодирующих белки, то у человека их примерно столько же (около 20 тысяч), сколько и у какого-нибудь примитивного микроскопического червя. Более того, большинство генов червей имеют прямой генетический эквивалент в геноме человека.

По мере того, как ученые все глубже анализировали, что же отличает человека от других организмов на уровне ДНК, становилось очевиднее, что сами по себе гены тут — не объяснение. И вообще оказалось, что с ростом усложненности организма растет лишь один из генетических параметров — количество участков мусорной ДНК. Иными словами, чем сложнее устроен организм, тем больше в нем процент мусорной ДНК. Лишь сейчас ученые стали по-настоящему исследовать противоречивую идею, согласно которой именно в мусорной ДНК таится ключ к эволюционной сложности и многообразию.

Но если мусорная ДНК так важна, что же она делает? Какова ее роль в клетке, раз уж она не кодирует белки? Сегодня ясно, что мусорная ДНК обладает целым рядом различных функций. Ничего удивительного, ее ведь так много.

Какая-то ее часть образует особые структуры в хромосомах, куда упакована наша с вами ДНК. Этот «мусор» помогает ей не расплетаться (расплетаясь, она может получить повреждения). По мере нашего старения «мусорные» области уменьшаются в размерах и наконец переходят за критический минимум. После этого наш генетический материал становится подверженным всякого рода перестройкам и перегруппировкам, которые могут привести к катастрофическим результатам — к клеточной смерти или раковым процессам.

Другие структурные области мусорной ДНК действуют как своего рода якоря, когда хромосомы в процессе клеточного деления поровну распределяются между различными дочерними клетками. («Дочерняя клетка» — любая клетка, возникающая при делении материнской клетки. Заметьте, это не означает, что материнская или дочерняя клетка — женские.) Есть области, которые служат своего рода изоляторами (они называются инсуляторами): они ограничивают экспрессию генов определенными областями хромосом.

Однако значительная часть нашей мусорной ДНК — не просто какие-то структурные области. Она не кодирует белки, зато кодирует молекулы другого типа — РНК. Обширный класс подобных элементов мусорной ДНК образует в клетке своеобразные фабрики, тем самым помогая вырабатывать белки. А другие разновидности молекул РНК доставляют на эти фабрики сырье для производства белка.

Есть и иные участки мусорной ДНК — генетические помехи, ведущие свое происхождение от геномов вирусов и других микроорганизмов, когда-то встроившихся в человеческие хромосомы. Это своего рода генетические «спящие агенты». Такие остатки давно умерших организмов несут в себе потенциальную угрозу клетке, человеку, а иногда и целой популяции людей. Клетки млекопитающих в ходе эволюции выработали многочисленные механизмы для того, чтобы «затыкать рот» подобным вирусным компонентам, но эти защитные системы могут иногда отказывать или ломаться. Когда такое происходит, последствия могут быть самыми разными. От безобидных (вроде изменения цвета шерсти у определенной генетической линии подопытных мышей) до куда более опасных (например, возникновения рака).

Среди важных функций мусорной ДНК, которые в полной мере осознали только в последние годы, — регуляция экспрессии генов. Иногда это может оказывать весьма сильное и весьма заметное воздействие на человека. Один из фрагментов мусорной ДНК абсолютно необходим для того, чтобы у самок животных происходила нормальная экспрессия генов. Проявления его действия можно увидеть в целом ряде ситуаций. Простенький пример — генетическая регуляция окраски и узоров пестрых кошек. Однако тот же механизм позволяет объяснить, почему у идентичных близнецов женского пола могут неодинаково проявляться симптомы одного и того же наследственного заболевания. Иногда кто-то из таких близнецов страдает острой формой недуга, угрожающего жизни, тогда как другой близнец совершенно здоров.

Тысячи и тысячи участков мусорной ДНК подозреваются в том, что они регулируют биологические сети экспрессии генов. В этом смысле они напоминают указания режиссера, ставящего спектакль. Впрочем, в данном случае указания чрезвычайно сложны и запутанны. Никакая актерская труппа с ними не справилась бы. Забудьте все эти примитивные ремарки типа «Выбегает, преследуемый медведем». Скорее уж они напоминают что-нибудь вроде: «Если вы ставите „Гамлета“ в Ванкувере и „Бурю“ в Перте, в такой-то строке „Макбета“ ударение должно падать на четвертый слог. Если только при этом любительская труппа не ставит „Ричарда III“ в Момбасе, а в Кито не идет дождь».

Ученые сейчас только начинают распутывать тонкие взаимосвязи гигантских сетей мусорной ДНК. Правда, системы, при помощи которых мы пытаемся изучать ее функции, пока еще относительно неразвиты. Поэтому исследователям иногда не так-то просто проверять свои гипотезы экспериментально. И вообще мы занимаемся всем этим сравнительно недавно. Впрочем, порой нужно уметь вовремя отойти от лабораторного стола и от всех этих умных машин, выдающих несметное количество данных. По сути, эксперименты и без того окружают нас на каждом шагу, ведь у природы и эволюции было несколько миллиардов лет на то, чтобы перепробовать всевозможные виды изменений. Даже краткий по геологическим меркам момент, знаменующий появление и распространение нашего собственного вида, предоставил природе время, позволяющее осуществить куда большее количество разнообразных опытов, чем мы, ученые, могли бы мечтать провести. Поэтому на протяжении всей книги мы будем исследовать темноту непознанного при свете факела человеческой генетики.

Как освещать эту темную материю нашего генома? С чего начать? Тут есть много вариантов. Давайте оттолкнемся от одного странного, но неопровержимого факта. Дело в том, что причина некоторых генетических заболеваний — мутации мусорной ДНК. Вероятно, это самая подходящая отправная точка для нашего путешествия в геномную вселенную.