Текст книги "Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами"

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ГЕНОМА – ТЕРРА ИНКОГНИТА

Прогресс в биологии – это переход

от ложного знания к истинному незнанию.

В. Я. Александров

В природе нет ничего бесполезного.

М. Монтень

Теперь стало возможным оценить, что РНК синтезируется лишь максимум на 25—28% нуклеотидных последовательностей генома человека. А на кодирование белков используется вообще всего лишь чуть более 1% генома. Остальные транскрибируемые участки ДНК – это интроны белок–кодирующих генов и гены для РНК, не кодирующих белки. Таким образом, большая часть генома (свыше 70%) не имеет, по–видимому, прямого отношения ни к каким генам и инертна в плане транскрипции. Как это ни странно на первый взгляд, но факт остается фактом. Большая часть генома не кодирует ни белки, ни какую–нибудь РНК вообще, т. е. не относится к генам или каким–то другим, функционирующим на уровне транскрипции (РНК), нук–леотидным последовательностям.

В ДНК, на которой не образуется никакая РНК и которая, таким образом, для кодирования информации совершенно нейтральна, записаны длинные тексты, которые сегодня представляются для ученых полной абракадаброй, смысл и происхождение которой совершенно не ясен. Зачем нужны клетке эти «бессмысленные» и никак, на первый взгляд, не работающие участки ДНК, пока никто не знает, хотя априори ясно, что ничего лишнего в природе не должно быть. При полном секвенировании генома человека, естественно, была определена последовательность не только генов, но и этих пока ничего не обозначающих для ученых участков. Но из чего–то они все–таки состоят. Когда провели их детальный анализ, то выяснилось, что здесь присутствует скопище всех мыслимых и немыслимых вариантов расположения букв, бессмысленных слов и предложений, различных повторов одного и того же «текста», палиндромов и так далее и так далее. Рассмотрим подробнее хотя бы основные из них.

ДНКовый текст человека перенасыщен повторами

Как уже было показано в ранних экспериментах, описанных выше, в ДНК человека содержатся многочисленные элементы, которые не кодируют никакие белки, но при этом многократно встречаются в ДНКовом тексте. В «догеномную» эру считалось, что такие повторы составляют около 25% генома человека. Секвенирование ДНК показало, что их существенно больше: повторяющиеся последовательности в сумме занимают около 50% ДНКового текста. А общее число таких повторов в геноме человека равно приблизительно 5 миллионам. Для сравнения: у дрозофилы доля повторов в геноме составляет менее 5%, у червя – 6—7%, а у других млекопитающих – чуть меньше, чем у человека. Повторы напоминают бессмысленные фразы, которые с упорным постоянством в разных вариациях повторяются в тексте, но от этого смысл в них все равно не возникает.

На рис. 25 приведены некоторые основные варианты расположения повторов в геноме человека, а далее мы подробнее остановимся на описании отдельных из них.

В ДНКовых текстах человека, как, впрочем, и в ДНК других организмов, присутствуют уже упоминавшиеся обращенные повторы, перевертыши или, как их еще часто называют, палиндромы. Уже говорилось о том, что перевертыши–палиндромы хорошо известны из литературы – это предложения, которые читаются одинаково слева направо и справа налево без учета знаков препинания и интервалов между словами. Считается, что палиндромы известны еще со времен Древней Греции, т. е. свыше двух тысяч лет. На Руси палиндромы когда–то назывались «рачьими стихами». В качестве примера приведем две державинские строки:

 
Я разуму уму заря,
Я иду с мечем судия.
 

Рис. 25. Основные варианты расположения повторяющихся последовательностей в геноме человека. Повторы обозначены стрелками, неповторяющиеся участки – серыми линиями

Особое свойство таких участков ДНК заключается в том, что при определенных состояниях ДНК они способны образовывать структуры, называемые крестами. На рис. 26 дан пример одного из таких возможных крестов.

В реальной ситуации в клетке такие структуры действительно могут формироваться. Но зачем это нужно? Окончательного ответа на этот вопрос нет. Одно из предположений сводится к тому, что кресты могут быть местами связывания с какими–то специфическими белками, обеспечивающими регуляцию или процессов транскрипции, или репликации ДНК. С другой стороны, при транскрипции таких структур в РНК должны формироваться «шпильки», а такие структуры в РНК часто являются значимыми (то есть выполняют определенные функции – или способствуют транскрипции, или, наоборот, препятствуют ей).

Рис. 26. Крест, способный образовываться последовательностью ДНК, состоящей из обращенных повторов

Как и у других организмов, в геноме человека присутствуют короткие повторяющиеся нуклеотидные последовательности, которые расположены вплотную друг за другом (тандемно). Их часто называют сателлитными ДНК. Мы уже говорили о сателлитных ДНК ранее. Это те участки ДНК, которые при центрифугировании в градиенте солей цезия осаждаются отдельно вне области основной массы ДНК. В разных типах сателлитной ДНК различные копии представлены неодинаково – их численность варьируется от сотен до миллионов. Если записать их структуру текстом, то это выглядит, как, например, предложение из одного и того же слова: столстолстолстол–столстолстолстолстол. Ясно, что такие предложения не могут кодировать никакую серьезную информацию. Тем не менее выяснилось, что с сателлитными нуклеотидными последовательностями в некоторых случаях могут специфически взаимодействовать отдельные белки. А это уже некоторое довольно серьезное указание на возможное участие таких повторов в каких–то клеточных процессах.

К настоящему времени в геноме человека обнаружено по крайней мере шесть видов сателлитных повторов. Это в первую очередь три типа так называемых классических сателлитов. Сателлит 1 состоит из элементарной повторяющейся последовательности нукле–отидов длиной 42 п. н. (располагается на семи разных хромосомах); сателлиты 2 и 3 состоят из элементарных повторяющихся единиц длиной 5 п. н. (первый из них обнаружен на четырех, а второй – на двенадцати разных хромосомах).

Кроме того, во всех хромосомах человека присутствуют альфа–сателлитные повторы. Они имеют элементарную повторяющуюся нуклеотидную последовательность длиной 171 п. н. Существуют еще бета–сателлитные повторы с элементарной повторяющейся единицей длиной 68 п. н., которые встречаются лишь на девяти хромосомах. Еще реже представлены в геноме человека гамма–сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 220 п. н. Такие повторы присутствуют только на двух хромосомах человека(8 и X).

Распределение всех сателлитных ДНК вдоль хромосом не выглядит случайным. Так, некоторые из них «гнездятся» в районах, прилежащих к концам хромосом, и в области центромеры (перетяжка на хромосомах, которая не всегда расположена в самом центре, см. рис. 7). В частности, центромеры всех хромосом человека, размер которых варьирует от 0,1 до 4 млн. п.н., состоят преимущественно из альфа–сателлитных ДНК.

Наряду с типичными сателлитными ДНК, в геноме человека имеются нуклеотидные последовательности, получившие название мини– и микросателлитов, которые разбросаны по большинству участков всех хромосом и в сумме составляют около 3% генома человека. В среднем один из таких сателлитов содержится в каждых 2 тыс. п. н. человеческого генома. Минисателлиты представляют собой повторяющиеся нуклеотидные последовательности размером от 11 до 500 п. н. Кластеры таких повторов занимают от 0,1 до 20 тысяч п. н. в человеческом геноме, а общее число таких районов во всех хромосомах человека составляет несколько тысяч. Еще меньше по размерам микросателлиты. Их повторяющаяся нуклеотидная последовательность состоит из 10 и меньше п. н. Микросателлиты занимают в геноме человека обычно небольшие участки (до 150 п. н.). Когда же в тексте повторяется всего одна «буква» из четырех, такие структуры называют гомополимерными нуклеотидными последовательностями. Примером гомополимерной последовательности нук–леотидов в геноме человека может служить последовательность ААААААААААААААААААААААА на одной нити и, соответственно, ТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТ на другой.

Микросателлиты, состоящие из двух пар нуклеотидов (динуклео–тидные повторы), занимают около 0,5% генома человека. Наиболее частыми динуклеотидами являются АЦ и АТ (50 и 35% всех динук–леотидов, соответственно). А вот динуклеотидный повтор, состоя–ший из пары ГЦ, в ДНКовом тексте человека занимает всего лишь 0,1%. Наиболее частые из более «сложных» микросателлитов (тринуклеотидных повторов) являются ААТ (33% от всех тринуклеотид–ных повторов) и ААЦ (21%). Триплет ЦГГ, который довольно редок в геноме, присутствует в гене FMR–1, определяющем синдром ломкости Х–хромосомы. У нормальных людей число копий ЦГГ в гене варьирует от 6 до 54. А вот у больных индивидуумов такие триплеты «размножаются» и их число в гене может достигать 200—1300 копий. Подробнее о связи между сателлитными повторами и различными заболеваниями человека мы еще поговорим далее. Но остается загадкой: зачем такие нуклеотидные последовательности вообще нужны геному.

Выше приведенный пример и множество других случаев указывают на то, что микро–и минисателлиты весьма изменчивы, т. е., как говорят, полиморфны. Их распределение и число в геноме каждого конкретного человека столь специфично, что может использоваться в качестве аналога отпечатков пальцев. Как только это было обнаружено, этим фактом сразу воспользовались. В настоящее время ненужная вроде бы фракция генома человека (а на самом деле возможно и нужная, но мы просто о ней мало что знаем) стала востребована человеком для своих практических целей. На основании вариабельности сателлитных ДНК была развита диагностика родственных связей между людьми, склонности человека к различным заболеваниям и др. (см. об этом подробнее далее в разделе о геномной дактилоскопии).

И, наконец, еще один вид сателлитной ДНК был обнаружен при секвенировании генома человека, который получил название мега–сателлитов. Эти тандемные повторы имеют размер от 2,5 до 5 тыс. п. н. и повторяются от 50 до 400 раз. Мегасателлиты присутствуют лишь в небольшом числе хромосом (в 4, 8, 19 и X).

В ДНКовом тексте генома человека содержится множество более длинных повторяющихся нуклеотидных последовательностей, которые в отличие от сателлитных повторов рассеяны (диспергированы) по всему геному. Эти повторы называют вездесущими, так как они присутствуют во всех районах всех хромосом, а иногда обнаруживаются даже и внутри генов. В сумме около половины ДНКового текста генома человека представлено такими повторами.

Исследователи разделяют эти разбросанные по геному (диспергированные) повторы на четыре основных типа. Наиболее представленными в геноме являются длинные диспергированные повторы (сокращенно ДДП). Их длина достигает 6 тыс. п. н., а повторяются они в геноме человека примерно 8,5х10⁵ раз (в сумме ДДП составляют около 21% генома). Далее – это короткие диспергированные повторы (сокращенно КДП) длиной 100—400 п. н. В ДНК человека содержится примерно 1,5х10⁶ копий КДП (это составляет около 13% генома). Имеются еще повторяющиеся элементы, окруженные с двух сторон дополнительными повторами (последние называют длинными концевыми повторами). Их назвали ретротран–спозонами. (Как появилось такое сложное название, будет ясно из дальнейшего изложения). Длина этих повторов варьирует от 1,5 до 11 тыс. п. н., а общее число копий в ДНК человека составляет около 4,5х10⁵ , (8% генома). Наконец, в геноме человека присутстуют повторы, названные ДНК–транспозонами. Длины разных ДНК–транс–позонов существенно отличаются (от 80 до 3000 п. н.). В геноме их меньше, чем других повторов (всего 3%), а общее число составляет 3х10⁵ .

Более подробно о структуре и характерных особенностях этих типов повторов мы поговорим далее в связи с одной чрезвычайно важной их особенностью – способностью перемещаться в геноме. Здесь же отметим, что имеется большое различие в распределении всех этих диспергированных повторов вдоль молекул ДНК. Хотя повторы имеются во всех участках хромосом, некоторые места почему–то сильно заселены ими, а другие, наоборот, практически их не содержат. Так, область размером 525 тыс. п.н. в хромосоме 11 на 89% состоит из таких повторяющихся элементов. А вот в хромосоме 2 имеется участок ДНК размером 100 тыс. п.н., в котором расположены кластеры генов некого семейства HOX, ответственных за процессы развития при эмбриогенезе, и который содержит всего около 2% рассеянных повторов. Однозначного объяснения этому нет, можно строить только разные предположения. Например, в случае с блоком генов HOX отсутствие здесь повторов, возможно, связано с очень сложной координированной регуляцией в этой области, а наличие бесполезных повторов могло бы нарушить такую регуляцию.

В соответствии с законами классической генетики ожидалось, что в геноме все должно быть четко размечено, все гены–предложения должны располагаться в строго определенных местах текста. И большинство элементов генома действительно подчиняется этому общему правилу. Но из общего правила всегда есть исключения. Оказалось, что некоторые участки ДНК могут «путешествовать», меняя свое место, вытесняя друг друга. Подавляющее большинство генов никогда не покидают родную хромосому. Но в отличие от них определенные специфические нуклеотидные последовательности ДНК изредка с корнем вырываются из генома, выпрыгивают из одной хромосомы и приземляются в случайном месте на другой. При этом они могут влезть в середину гена, вызывая хаос, а могут примкнуть с края, слегка видоизменяя его регуляцию.

Впервые данное явление обнаружила у растений американская исследовательница Барбара Мак–Клинток еще в конце 30–х годов. Но очень долгое время ей никто не верил, исходя из общего принципа: «этого не может быть, поскольку не может быть никогда». Генетикам трудно было даже представить, чтобы гены прыгали с места на место, «ломая» наследственную информацию. Маститые ученые, если речь заходила о Мак–Клинток, с иронией приводили «прыгающие гены», «скачущие гены» как пример научной торопливости, некритического отношения к собственным результатам, стремления прославиться. Но прошло время и российские ученые (академик Г. П. Геор гиев и член–корреспондент В. А. Гвоздев) обнаружили перемещения некоторых участков и в ДНК животного организма (дрозофилы). В конечном итоге научная общественность воздала Мак–Клинток должное. Она дождалась своего звездного часа и получила за свое открытие под конец своей жизни Нобелевскую премию (1983 г.).

Таким образом, было установлено, что отдельные участки генома высших организмов, подобно некоторым индивидуумам в нашем обществе, могут не хотеть жить по общим правилам. Их мало интересует постоянная прописка, и при определенной ситуации они берут и просто «переезжают» в любое заинтересовавшее их по каким–то причинам место или, как говорят, «перепрыгивают» в иные, видимо, более удобные для них районы ДНК. Другими словами, стало ясно, что геном не так уж и стабилен, законсервирован, как он казался многим исследователям до этого.

У человека возможность перестроек в геноме впервые была продемонстрирована при изучении генов иммуноглобулинов, связанных непосредственно с иммунной системой организма. Оказалось, что в процессе индивидуального развития в лимфоцитах (белые кровяные шарики) происходит перетасовка отдельных участков этих генов, в результате чего и формируются тысячи и даже миллионы новых вариантов иммуноглобулинов–антител, убивающих многочисленные чужеродные вмешательства различных живых агентов в человеческий организм. Это позволяет за счет сравнительно небольшого набора исходных генов обеспечивать образование огромного разнообразия всесторонне направленных иммуноглобулинов. Другие хорошо известные гены никогда не «прыгают». Такая ситуация оказалась уникальной именно для иммуноглобулиновых генов. Основное перемещение в геноме человека осуществляют не гены, а элементы совершенно другого типа, получившие название транспозонов. К ним относят различные элементы, входящие во все четыре выше перечисленных основных типа диспергированных повторов генома. Транспозоны способны к разным инновациям в геноме. Перемещаясь, они могут изменять регуляцию других генов и даже принимать участие в создании новых генов. Так, после полного секвениро–вания генома человека в нем удалось обнаружить около пятидесяти генов, произошедших из транспозонов. Несколько сотен генов в геноме человека используют длинные концевые повторы транспозо–нов в качестве терминаторов при транскрипции.

Теперь рассмотрим по отдельности структурные особенности разных семейств этих «прыгающих» время от времени элементов генома человека.

Как среди населения земли имеются многочисленные нации и меньшинства, так и в геноме одни повторы редки, а другие представлены большим числом копий. Основной представитель длинных диспергированных повторов генома человека – семейство повторов, получившее имя LINE ( сокращенно от англ. long interspersed elements). Отличительная особенность этих повторов заключается в том, что они способны кодировать два белка–фермента, которые и принимают участие в перемещении их самих, а заодно они способны обеспечивать «перепрыгивание» и коротких диспергированных повторов (КДП). Это осуществляется главным образом за счет уже упоминавшегося фермента ревертазы. РНК, образующиеся после транскрипции LINE – повторов, превращаются в ДНК–копии, которые и встраиваются в новые места генома. В процессе синтеза ДНК–копии на РНК иногда происходит преждевременная остановка этого процесса, поэтому в геноме человека наряду с «полноразмерными» ДДП присутствуют элементы укороченной длины. Ферменты, кодируемые LINE – повторами, участвуют и в процессе появления в геноме некоторых псевдогенов, т. е. генов, которые вообще не способны функционировать. Но, как оказалось, не только их. Сейчас уже известно с десяток нормально функционирующих генов, которые возникли за счет обратной транскрипции мРНК. Такие гены, конечно же, не содержат интронов (их называют безинтронными).

Итак, в геноме человека источником активной ревертазы являются, по–видимому, ретротранспозоны L1, число копий которых достигает 100 тыс. Однако реально число активных перемещающихся копий составляет всего 30—60 тыс., тогда как остальные настолько повреждены, что не транскрибируются и, следовательно, уже не могут перемещаться.

Основную массу коротких диспергированных повторов (КДП) составляют так называемые Alu – повторы, которые занимают в ДНКо–вом тексте генома человека почти в 10 раз больше места, чем все последовательности, кодирующие белки. Свое название они получили по имени рестриктазы, для которой у них имеется определенный сайт. В сумме в геноме насчитывают около одного миллиона Alu– повторов. Такое их огромное количество не поддается нашему пониманию. Для чего они нужны? Ведь это относительно короткие повторы (около 300 п. н.), которые не способны кодировать никакие белки. Более того, разные члены семейства Alu – повторов не полностью похожи друг на друга, хотя родство между ними прослеживается однозначно (в среднем последовательности двух любых Alu – повторов сходны на 85%). Считается, что этот вид повторов появился в ходе эволюции у приматов (и только у них) свыше 65 млн. лет назад. Попав в геном человека, Alu чудовищно размножились и причудливо расселились по разным хромосомам, то скапливаясь в некоторых местах, то перемежаясь с генами или даже влезая в некоторые из них. В частности, Alu –повторы нередко присутствуют в тех районах генов, которые транскрибируются при образовании мРНК, но не транслируются при синтезе белка. При этом, как число, так и расположение Alu – повторов в геноме может заметно отличаться у разных индивидуумов.

Большинство из диспергированных повторяющихся элементов ДНКового текста обладают способностью к перемещению в геноме. Свидетельства этому «перепрыгиванию» были получены, в частности, при сравнительных исследованиях структуры отдельных районов генома у человека и других близкородственных приматов. Более того, и сейчас продолжается время от времени регистрация перемещения отдельных повторов. Так, установлено, что Alu – повторы изредка встречаются у некоторых людей в тех местах генома, где у большинства других их нет. Один из таких ярких примеров – обнаружение внедрения Alu – повтора в ген фактора свертываемости крови VIII при такой патологии, как гемофилия А.

Итак, геном – это не застывшая ДНК, а динамическая структура, чем–то напоминающая атом. Последний имеет не только стабильное ядро, но и целый рой перемещающихся вокруг его элементов (в частности, электронов). Именно поэтому академик Г. П. Георгиев справедливо отметил, что «ген постоянен в своем непостоянстве»!

Стоит сразу оговориться, что перемещение транспозонов происходит крайне редко. Тем не менее его значимость для генома человека весьма велика и определяется, по–видимому, тем, что этот процесс продолжается безостановочно на протяжении многих тысячелетий. Можно думать, что в результате этого подвижные или мобильные элементы способны в ходе эволюции заметно «тасовать» текст Энциклопедии человека подобно тому, как игроки тасуют колоду карт.

Перечень подвижных элементов генома не ограничивается различными описанными выше диспергированными повторами. К таковым относятся и некоторые элементы, доставшиеся нам в ходе эволюции от таких простейших организмов, как вирусы и бактерии.