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

Незримая борьба между человеком и такими «внутриклеточными паразитами», как вирусы, происходила на протяжении тысячелетий. Только после обнаружения вирусов Д. И. Ивановским в 1892 году человечество наконец–то распознало своего невидимого врага, который, проникая в клетку человека, использует все ее возможности в своих корыстных целях, тем самым нарушает нормальный метаболизм клетки и вызывает различные тяжелые патологии. Ряд вирусов обладает способностью внедряться в геном человека и по сути становиться как бы его собственными генами. В первую очередь это относится к так называемым ретровирусам. Они так были названы по своему образу жизни. Исходно геном этих вирусов представляет собой РНК. Но, попав в клетку, вирус на своей РНК с помощью обратной транскриптазы строит ДНК–копию (см. основную догму молекулярной биологии). После этого ДНК–копия вируса встраивается в геном клетки, что служит обязательным условием для жизненного цикла ретровируса. Встраиваемая в геном клеток человека ДНК–копия вируса была названа провирусом. Затем на прови–русе синтезируются вирусные РНК, на базе которых образуются новые вирусные частицы. Таков жизненный цикл обычного ретро–вируса. Так ведет себя, например, хорошо известный ретровирус, получивший название вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), когда он инфицирует клетки крови.

Казалось, что все это есть проблема отдельных инфицированных клеток. И действительно, вирусы инфицируют в основном соматические клетки. Затем вирусы и провирусы погибают вместе с теми клетками, в которых они похозяйничали. Т. е. вирусы сами подготавливают и свою собственную смерть. Однако это не всегда так происходит. Очень редко в эволюции человека происходило инфицирование вирусами клеток зародышевого пути, образовывались провирусы, но организм выживал и внедренный провирус становился наследуемым элементом генома человека. Так в клетке появляется «лжепрограмма» (провирус), которая изменяет геном гораздо сильнее, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости.

Когда секвенировали геном человека и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами. Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2—3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами – названными длинными концевыми повторами (ДКП), – были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов. У человека они составляют довольно существенную часть – около 8% генома. Такие элементы назвают часто эндогенными рет–ровирусами, в отличие от типичных ретровирусов, существующих в природе вне организмов (их называют экзогенными ретровируса–ми). Структура типичного эндогенного ретровируса (провируса) изображена на рис. 27 на цветной вклейке. Она напоминает структуру отдельных современных экзогенных ретровирусов (на рисунке вверху), хотя часто существенно отличается от них. Все–таки за миллионы лет древним провирусам трудно было остаться неизменными. Большая часть этих элементов представляет собой дефектные вирусные последовательности или даже отдельные их короткие фрагменты. Происходило это главным образом за счет накопления точечных мутаций и различных делеций. В частности, у многих эндогенных ретровирусов отсутствует ген env. Концевые участки ретровирусов, названные длинными концевыми повторами (ДКП), нередко существуют в геноме человека сами по себе, оторвавшись от своего эндогенного ретровируса в ходе эволюции и собственного перемещения по геному.

Рис. 27. Типичные структуры инфекционных и эндогенных ретровиру-сов, а также их отдельных элеме!ггов в геноме человека. ДКП – длинный концевой повтор (обозначен желтым цветом). Типичные гены ретровирусов – gag, pol, env. Черные горизонтальные линии – последовательности генома человека. Черные поперечные полосы в генах – мутации.

Мутации, накопившиеся в ходе эволюции в эндогенных ретро–вирусах, не позволяют им образовывать новые инфекционные вирусные частицы, как это происходит обычно в случае типичных экзогенных вирусов (например, вируса иммундефицита человека, вызывающего такое страшное заболевание, как СПИД).

Согласно проведенным оценкам, такие провирусы появились в геноме человека от 10 до 50 млн. лет назад в результате инфицирования зародышевых клеток наших предшественников и с тех пор передаются по наследству, как и все другие собственные элементы генома. Так «чужие» молекулы ДНК стали частью нашего генома. В сумме их насчитывается несколько десятков тысяч, они состоят из более 200 различных групп и подгрупп. Ретротранспозоны генома человека часто рассматривают как «ископаемые останки» древних ретровирусов.

Появление провирусов в геноме человека сродни процессу, который в лингвистике называют лексическим заимствованием. Во всяком языке имеются слова «свои» и «чужие» – те, которые пришли из других языков. Заимствование слов считается естественным ходом событий, необходимым для языкового развития. Возможно, и появление провирусов повлияло на ход становления человека как вида. По крайней мере известно, что число провирусов в геноме человека существенно больше, чем в геноме обезьян.

Итак, эндогенные провирусы являются «следами» от вирусов, которые инфицировали наших предков миллионы лет назад. Поселившиеся в геноме наших предков, они со временем потеряли способность образовывать новые вирусные частицы. Большинство таких «реликтовых» ретровирусов «молчит» (не функционирует). Однако сейчас уже установлено, что при определенных воздействиях на геном они могут «заговорить» и этим нарушить нормальный метаболизм в клетке. Таким образом, потенциально некоторые из них и по прошествии тысячелетий продолжают представлять потенциальную опасность для человека.

Выяснилось, что отдельные члены семейства ретровирусов сохранили способность синтезировать РНК, а также обладают склонностью к рекомбинациям и перемещению в геноме. Так, анализ эндогенных провирусов генома человека позволяет заключить, что отдельные из них являются копиями, появившимися в результате так называемой ретропозиции. Ретропозиция – это процесс появления новых копий в геноме не за счет нового инфицирования вирусом, а в результате транскрипции уже имеющегося в геноме провируса. Сначала образуется вирусная РНК–копия, затем на ней с помощью обратной транскрипции образуется ДНК–копия, и уже она внедряется в новое место в геноме. Другие элементы эндогенных провиру–сов, обнаруживаемые в геномах современных людей, возникли в результате рекомбинаций, таких, как, например, рекомбинации между концами провирусов, что привело к исчезновению внутренних участков провирусов и образованию коротких ретровирус–подобных элементов. Таким образом, провирусы эндогенных ретровирусов – не просто окаменелые остатки прошлых эпох, а элементы генома человека, которые определяют присущую ему нестабильность (об этом подробнее поговорим дальше).

В геноме человека эндогенные ретровирусы встречаются во многих местах, но их распределение по хромосомам не совсем равномерное. Имеются участки, обогащенные ими, и в то же время некоторые области хромосом человека не содержат подобные элементы. Иногда отмечают, что местонахождение эндогенных ретровирусов и их производных коррелирует с распределение генов в геноме. Часто они располагаются в регуляторных областях генов. И в этом ученые усматривают особый смысл: регуляторные элементы эндогенных ретровирусов могут вмешиваться в регуляцию работы обычных генов человека.

Академик Е. Д. Свердлов считает, что вирусы могли сыграть решающую роль в «очеловечивании» обезьяны. Возможно, что в процессе эволюции молекулы ДНК человека включили в свой состав уже готовые фрагменты генетического материала вирусов с одной лишь целью – облегчить конструирование собственных генов для кодирования новых признаков. Включение генетического материала вирусов в геном человека служит еще одним подтверждением универсального характера молекул ДНК, имеющихся у всех живых существ – от самых простейших организмов вплоть до человека.

В результате секвенирования ДНК человека был раскрыт еще один секрет генома. Кроме вирусов, проникших в наш геном извне и со временем сильно размножившихся там, заметную часть генома человека составляют и гены, пришедшие к нам от других наших постоянных симбионтов – бактерий. В геноме человека содержится множество так называемых ДНК–транспозонов. Они в сумме составляют около 3% генома человека и представлены в нем примерно 300 000 копиями, которые в свою очередь подразделяются на 7 разных классов. Все они по своей структуре очень напоминают ранее обнаруженные перемещающиеся элементы у бактерий – бактериальные транспозоны. Сходство выражается в первую очередь тем, что ДНК–транспозоны человека, как и бактериальные транспозоны, способны кодировать специальный фермент транспозазу, который и обеспечивает их подвижность.

Кроме бактериальных транспозонов, в геноме человека содержится свыше 220 генов, доставшихся нам «в наследство» непосредственно от бактерий, обитающих у нас в кишечнике. Половина из этих генов широко распространена в разных видах бактерий, но среди эукариот встречается только у позвоночных. Теперь стало окончательно ясно, что бактерии, также как и вирусы, внесли свой вклад в формирование генома современного человека. Все это, по–видимому, есть результат длительного сожительства человека с бактериями, когда при некоторых случайных событиях гены бактерий попали в геном человека и там закрепились. Мы давно знаем, что в нашем кишечнике живет много разных видов бактерий, которые не только для нас не вредны, но, наоборот, полезны, так как они служат поставщиками ряда биологически активных продуктов (в частности, некоторых витаминов). Перенос генов «по горизонтали», т. е. от одного вида организма в другой, в принципе был известен давно. В частности, он активно реализуется между разными видами бактерий.

Но то, что он столь масштабно выражен и между геномами таких эво–люционно далеких организмов, как человек и бактерии, безусловно, стало для исследователей полной неожиданностью. Интересно, что гены, доставшиеся человеку от бактерий, содержат, как и многие другие, интроны. Последних нет у бактерий. Следовательно, в процессе эволюции после переноса бактериальных генов в геном человека произошло еще одно событие: в состав «бактериальных» генов, ставших генами человека, внедрились дополнительные нуклеотидные последовательности, которые теперь являются интронами.

Гены, доставшиеся человеку от бактерий, не случайно сохранились в геноме. Многие из них играют важную роль в метаболизме ксенобиотиков (чужеродных для человеческого организма веществ) и в ответе клеток на стресс. Можно отметить один из таких генов – ген МАО, кодирующий белок, на который направлено действие разных психофизиологических лекарств. Следовательно, приобретение по крайней мере некоторых из бактериальных генов дало человеку определенные селективные преимущества.

На этой почве существуют разные спекуляции. Одна из них изложена 3. Ситчиным в своей книге «Генезис пересмотренный и космический код». Согласно его рассуждениям, некие пришельцы из космоса по имени аннунаки прибыли на 3емлю приблизительно 450 тысяч лет назад. Они высадились на 3емлю в поисках полезных ископаемых, и им понадобилась рабочая сила. Рабочих решили не привозить издалека, а слегка усовершенствовать существовавшего тогда на 3емле гоминоида, добавив ему некоторые гены более «продвинутых» аннунаков. И космические генные инженеры внесли в геном гоминоида те гены, которые мы теперь называем бактериальными. А бактерии потом приобрели их от нас. Сформулировано, конечно, красиво, однако весьма напоминает фантастический роман.

В любом случае, геном человека представляет собой некое собрание генов, которые достались человеку от их предков, и генов, которые явно ведут свое происхождение от неродственных организмов – вирусов и бактерий. То есть можно сказать, что наш геном – это книга, в которой отдельные «предложения» заимствованы из других независимо написанных источников.

В результате секвенирования генома человека в нем, наряду с типичными повторяющимися элементами, были обнаружены протяженные нуклеотидные последовательности, которые представлены всего в двух–пяти копиях. Чаще всего эти копии очень похожи друг на друга, как близнецы (сходство по последовательности достигает 99%). Общее количество таких элементов в геноме человека составляет порядка 5%. Это значительно больше, чем в других секве–нированных к настоящему времени геномах, таких, например, как червь и дрозофила. Появление в геноме ДНКовых текстов–близнецов связывают с процессом, названным сегментальной дупликацией, то есть случайным удвоением отдельных сегментов генома. Размер таких «близняшек» составляет от 1 до 200 тыс. п. н. Последовательности–близнецы иногда располагаются на одной и той же хромосоме, а иногда присутствуют на совершенно разных хромосомах. Например, геномный сегмент X – хромосмы размером 9,5 тыс. п. н., известный как участок, ответственный за развитие адренолейкодистрофии, присутствует практически в неизмененном виде на хромосомах 2, 10, 16 и 22. А в хромосоме 17 имеется пять копий одного сегмента размером 200 тыс. п. н., которые разделены между собой довольно длинными последовательностями. При анализе разных хромосом выявилось, что дуплицированные последовательности распределены по ним не равномерно. Больше всего их имеется в Y – хромосо–ме, а менее всего в хромосоме 7. Неравномерно они распределены и вдоль хромосом, концентрируясь в районах центромер и теломер. Предполагается, что появление последовательностей–близнецов может быть связано с эволюционным процессом и приводит к увеличению разнообразия белков за счет «тасования» уже существующих экзонов.

В таблице 4 даны суммарные данные о содержании разных видов последовательностей в геноме человека.

Таблица 4. Нуклеотидные последовательности, входящие в состав генома человека

Когда полностью секвенировали довольно крупный геном круглого червя С. elegans, то обнаружили, что в нем 27% нуклеотидных последовательностей кодируют структурные белки, 26% принимают участие только в начальной стадии кодирования и в дальнейшем от синтеза белка отстраняются (интроны), а оставшиеся 47% приходятся на повторы и межгенные участки, которые в кодировании белков не участвуют и в настоящее время представляются нам «лишним» материалом. При сравнении этих данных с геномами животных, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы, выяснилось, что чем сложнее устроен организм, тем меньше в его геноме доля кодирующих участков и тем больше в нем доля непонятной для нас информации. И больше всего ее в геноме человека. На первый взгляд это выглядело парадоксально.

Так в чем же дело? Этот вопрос возник еще в конце 70–х годов прошлого века. В 1980 году лауреатом Нобелевской премии Дж. Уот– соном и рядом других исследователей было впервые предложено считать участки, не способные кодировать белки, и при этом повторяющиеся в геноме, никчемными, лишними. Появился даже специальный термин «selfish DNA», что переводится как «эгоистичная ДНК». По мнению Уотсона, эгоистичная ДНК существует сама по себе и сама для себя. Накопление избыточной некодирующей белки ДНК – не что иное, как «эгоистическое» самоумножение селективно нейтральных молекул. В попытках объяснить наблюдаемое явление ученые пренебрежительно назвали «лишнюю» «эгоистичную» ДНК строительным «мусором», издержкой эволюции, которая служит платой за совершенство остальной ее части. В одном из последних изданий Oxford English Dictionary приводится такое значение слова эгоистичный: «Применительно к гену или генетическому материалу: обладающий тенденцией к воспроизведению или распространению, несмотря на отсутствие фенотипического (т. е. проявляемого внешне) эффекта».

После секвенирования генома человека, когда было установлено, что и в ДНК человека подавляющая часть последовательностей представляют собой участки, не кодирующие никакие белки или функционально значимые РНК (рРНК, тРНК и др.), стало ясно, что в отличие от трудяг–генов основная масса ДНК действительно не работает, т. е. не выдает никакой информации для производства белков или РНК. И это при любом расчете более 70% всей ДНК! Что–то слишком много для эгоистичной ДНК или «мусора». Такого количества геномного «мусора» нет ни у бактерий, ни у дрожжей, ни у мух.

Что это значит? Или наш геном в отличие от геномов более примитивных организмов ленится выгребать накапливающийся «мусор», или это совсем не мусор, а некое ценное эволюционное приобретение, которое дало когда–то человеку определенные преимущества, и поэтому геном от такого «мусора» не спешит избавиться.

На сегодняшний день мы еще многого не знаем об этой огромной части генома человека, пока условно называемой «эгоистичной». Однако уже сейчас ясно, что определение «эгоистичности» или «бессмысленности» для большинства участков генома на самом деле нельзя признать полностью справедливым. Если мы сегодня не в состоянии понять, для чего нужны какие–то участки ДНК, это еще не значит, что они пренебрежительно могут быть названы мусором. У бактерий «бессмысленных» участков вообще нет. У дрожжей почти нет. Но по мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше и больше вроде бы ничего не кодирующей ДНК. Трудно согласиться с предположением, что это результат некой неосознанной деятельности эволюции. Можно предположить, например, что эти нуклеотидные последовательности ДНК являются резервуаром эволюции, складом «запчастей». Если с каким–либо геном что–то не в порядке, клетка использует фрагменты некодиру–ющей ДНК для «ремонта» поврежденного. Сегодня ученые вынуждены отказываться от многих своих первоначальных, довольно ограниченных представлений. Время идет, и сейчас уже по крайней мере у некоторых из этих участков обнаружены определенные специфические функции.

И каковы же эти функции у ДНК, считавшейся много лет «эгоистичной»? Давно уже известно, что повторами в геноме человека являются представленные сотнями копий гистоновые гены, имеются тысячи копий генов, кодирующих рибосомные РНК, транспортные РНК и др. В дальнейшем выяснилось, что существуют и повторы, расположенные в концевых некодирующих белки участках мРНК, которые принимают, по–видимому, участие в таком важном процессе, как трансляции этих молекул. Оценено, что у человека такие элементы встречаются в 12% начальных некодирующих участков мРНК и в 36% некодирующих участков, расположенных в конце молекулы, что существенно выше, чем у других организмов. Повторы, расположенные в участках, кодирующих мРНК, несут определенную функциональную нагрузку. Они нередко участвуют в правильном и своевременном считывании информации при образовании белка на мРНК. Однако в сумме доля таких значимых или потенциально значимых повторяющихся участков генома человека весьма невелика.

Среди транспозонов, которые также были прежде отнесены к «эгоистичной» ДНК, постепенно обнаруживаются различные неизвестные ранее регуляторные последовательности, которые управляют работой ряда генов. Некоторые из транспозонов выступают в роли энхансеров (усилители транскрипции), сайленсеров (ослабители транскрипции), терминаторов транскрипции и прочих красиво звучащих элементов генома. Более того, выяснилось, что не менее полусотни генов генома человека имеют свое происхождение из транспозонов. Наконец, следует отметить, что определенные неко–дирующие белки участки ДНК обеспечивают процесс ее репликации, другие – упаковку в хромосомы, третьи – прикрепление к определенным структурам в ядре и т. д.

Можно привести ряд конкретных примеров. Так, Alu –повторы, о которых шла речь выше, обычно рассматривали как типичные представители «эгоистичной» ДНК, поскольку они имеют высокую повторяемость и при этом ничего не кодируют. Тем не менее и им может быть найдено применение в геноме, например, в регуляции работы генов. Похоже, в эволюции геномной ДНК действует некий «принцип слоненка Киплинга». Хобот у слоненка возник из–за его желания узнать, что ест крокодил на обед. Слоненок вначале огорчился своему носу, но не растерялся и нашел ему разные полезные применения. Так и повторяющиеся последовательности генома. Они возникают и меняются по своим внутренним молекулярно–генети–ческим законам, но для их вариаций потом может найтись полезная функция в геноме. Сейчас выяснилось, что способность Alu – повто–ров к перемещению может играть существенную роль в эволюции генома. Например, описаны случаи, когда, внедряясь в экзон или интрон какого–нибудь гена, такой повтор менял регуляцию его экспрессии. Alu –повтор способен также модулировать процесс репликации ДНК, регулировать сплайсинг и некоторые другие генетические процессы. Имеются данные, что эти повторы участвуют в подавлении трансляции РНК при клеточном ответе на стрессовые воздействия. Различные описанные в литературе функции, выполняемые Alu – повторами, помогают понять и объяснить причину их длительной «фиксации» в человеческом геноме. Скорее всего действительно многие из Alu сидят без дела до поры до времени, но отдельные представители не просто живут и размножаются, а и иногда работают.

Не находятся совсем без дела и длинные повторяющиеся последовательности. Так, показано, что они могут участвовать в процессе «тасования экзонов» (подробно тасованию карт), т. е. перемещения экзонов из одних генов в другие и формирования за счет этого новых генов.

Наконец, «бессмысленные» участки ДНК иногда могут осмысленно работать в хромосоме, например, когда они защищают свой вид от вторжения чужеродной ДНК. Выяснилось, что пустые концевые участки хромосом, как и область центромер (первичные места спаривания родительских парных хромосом), важны для сохранения вида: они определяют строгое распознавание макрорельефа хромосомы как органеллы клетки (а не микрорельефа—как молекулы ДНК) одного вида по принципу «ключ–замок». В результате этого сперматозоиды обезьяны не оплодотворяют яйцеклетки человека, т. к. хромосомы двух видов не распознают друг друга.

Таким образом, согласно современным оценкам, в участках «эгоистичной» ДНК скрыта определенная эволюционная информация. В результате перестройки некодирующих белки участков, что вообще–то не влияет на структуру самих генов, может происходить изменение в наборе формирующихся в конкретной клетке мРНК за счет изменения в их процессинге (альтернативный сплайсинг), использование альтернативных промоторов или даже формирование новых генов.

И последний пример функциональной значимости «эгоистичной» ДНК, который мы приведем здесь, – данные о строении концов хромосом.