Джеймс Уотсон - ДНК. История генетической революции

Сложной организации позвоночных также могли поспособствовать гены, которые детерминируют процессы роста и дифференцировки и которые довольно часто называют генами-регуляторами (переключателями). Теперь, когда секвенирование генома завершено, можно подробно проанализировать эти регуляторные участки, в которых регуляторные белки связываются с ДНК, включая или выключая прилегающие к ним гены. По-видимому, позвоночные обладают гораздо более многогранными переключающими механизмами, нежели более примитивные организмы. Именно эта гибкая и сложная система генетической координации обеспечивает сложную жизнедеятельность позвоночных. Более того, любой конкретный ген может отвечать за синтез различных белков, и вот почему: либо функционально сочетаются разные экзоны, продуцирующие слегка различающиеся белки, в данном случае мы имеем вариант сплайсинга матричных РНК, который получил название «альтернативный сплайсинг» (белки, получаемые трансляцией таких мРНК, в результате имеют разные аминокислотные последовательности; таким образом, при альтернативном сплайсинге один транскрипт обеспечивает синтез сразу нескольких белков), либо в уже синтезированных белках происходят биохимические изменения.

Когда вскрылась столь неожиданная для исследователей малочисленность человеческих генов, несколько серьезных авторов, которых можно назвать колумнистами, немедленно изложили свои размышления на тему: а так ли важно число генов? Рассуждения были выдержаны в едином ключе. Стивен Джей Гулд (страстный оратор, который, к сожалению, рано ушел из жизни) опубликовал в New York Times статью, где торжествующе объявлял, что немногочисленность генов – «последний гвоздь в гроб редукционизма», хотя редукционизм сейчас – это сложившаяся доктрина, буквально доминирующая во всех биологических дисциплинах. Согласно редукционизму, сложные явления в биологии могут быть полностью объяснены с помощью законов, свойственных явлениям более простым. Иными словами, для того чтобы понять процессы, происходящие на уровне со сложной организацией, сначала требуется уяснить, как устроена система на более простых уровнях, и проследить динамику процессов в восходящем направлении. Таким образом, поняв устройство генома, мы в конце концов узнаем, как происходит «сборка» на организменном уровне. Гулд и его последователи апеллировали к факту об удивительно малом числе генов у человека как к подтверждению того, что восходящий подход не только неработоспособен, но и несостоятелен. Антиредукционисты наоборот настаивали, что уж если в свете такой неожиданной генетической простоты человеческий организм вполне жизнеспособен, то ни в коем случае нельзя подходить к пониманию человека как к совокупности простых процессов. С их точки зрения, малочисленность генов подразумевает, что именно условия развития, а не наследственность максимально влияют на каждого из нас. Короче говоря, это была «декларация независимости против мнимой деспотии наших генов».

Как и Джей Гулд, я вполне признаю, что условия развития и внешней среды существенно влияют на каждого из нас. Однако его взгляд на проблемы наследственности абсолютно неверен: немногочисленность генов у человека никоим образом не отменяет редукционистского подхода к биологическим системам, равно как и не оправдывает логического вывода о том, что гены не играют для нас определяющей роли. Из оплодотворенной яйцеклетки, содержащей геном шимпанзе, как ни крути, обязательно родится шимпанзе, а из оплодотворенной яйцеклетки с геномом человека – человек. Сколько бы мы при этом ни показывали шимпанзе, например по телевизору, концертов классической музыки или сцен насилия, человеком она не станет. Конечно, нам еще предстоит долго разбираться, каким образом информация этих двух очень схожих геномов реализуется в развитие столь непохожих друг на друга организмов, но факт остается фактом: сущность любого организма в большей степени строго запрограммирована в геноме. Я действительно считаю, что открытие малочисленности человеческих генов – 21 тысяча против расчетных 100 тысяч – порадует сторонников биологического редукционизма; ведь гораздо проще классифицировать эффекты 21 тысячи генов, нежели оценивать действие 100 тысяч генов.

Пусть человек и не обладает колоссальным числом генов, тем не менее наш геном действительно большой и запутанный – вспомните хотя бы огромный ген титина. Вернусь к сравнению с червем: по числу генов мы не обходим нематоду даже вдвое, но физически наш геном в тридцать три раза крупнее. Откуда такое несоответствие? Специалисты, занятые поиском генов, описывают человеческий геном как пустыню, по которой рассеяны редкие оазисы генов. Половина нашего генома приходится на повторяющиеся «мусороподобные» последовательности, не выполняющие конкретных функций; 10 % нашего генома состоит из миллиона разбросанных включений одной и той же последовательности, так называемого «элемента Alu »:

Alu-повтор был открыт при обработке ДНК человека рестриктазой Alu, отсюда и название. Запишите этот повтор миллион раз – и тогда сможете оценить масштаб присутствия элементов Alu в нашей ДНК. На самом деле степень повторяемости некоторых последовательностей даже выше, чем может показаться на первый взгляд: последовательности, которые когда-то однозначно идентифицировались как повторы, за многие поколения с накоплением мутаций изменились до неузнаваемости, став элементами того или иного класса повторяющихся последовательностей ДНК. Рассмотрим набор из трех коротких повторов: ATTГ ATTГ ATTГ. Со временем они изменятся под действием мутаций, но если изменения начались недавно, то исходные последовательности еще узнаваемы и выглядят так: AЦTГ ATГГ ГTTГ. Через определенный, но длительный период исходный рисунок будет совершенно утрачен в мешанине мутаций: AЦЦT CГГГ ГTЦГ. Процентное соотношение повторяющихся последовательностей ДНК у многих других видов гораздо ниже, чем у человека: 11 % у горчицы, 7 % у нематоды и всего 3 % у дрозофилы. Наш геном такой крупный во многом из-за того, что в нем накопилось гораздо больше «мусора», чем у многих других видов.

Такие различия в количестве «мусорной ДНК» объясняют застарелый эволюционный парадокс. Тема о количестве мусора в нашей ДНК – одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии. В целом считается, что сравнительно сложные организмы должны обладать более крупными геномами, чем относительно примитивные, поскольку первым требуется закодировать больше информации, чем вторым. Действительно, существует корреляция между размером генома и уровнем сложности существа; геном дрожжей больше, чем геном E. coli , но меньше, чем наш. Однако степень таких корреляционных связей очень слабая.