Тимо Зибер - Дикие гены

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.