На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

“Мусор” в нашей ДНК, Или почему человек – не венец творения

Многие люди считают, что человек – венец творения, а наша ДНК чиста и совершенна. Многие люди ошибаются. Сложно представить более кривой и несовершенный геном, чем геном человека. Мало того, что мы являемся носителями самых разных вредных мутаций, потенциально ведущих к тяжёлым наследственным заболеваниям, мало того, что генов у нас как у маленького круглого червяка с тремя сотнями нейронов вместо мозга, но, как показывает ряд исследований, 90% нашей ДНК – самый настоящий мусор.

Разумеется, такая точка зрения вызывает подгорание пятой точки и ожесточённые споры, причём недовольны и креационисты, и радикальные эволюционисты. Первым подавай безупречный замысел Божий, а вторым мудрость природы, исправляющей любые дефекты. Мусорная ДНК – одна из редких тем, где на личности переходят даже уважаемые учёные. Давайте разбираться, что именно в нашем наследственном материале нарекают мусором, правда ли он существует и насколько он бесполезен на самом деле. Об этом новое видео и (как обычно) краткий его текстовый пересказ.




Призраки на кладбище генома


Напомню, что в основе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК. Она представляет собой полимер из четырёх типов нуклеотидов: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G) – и уложена в хромосомы. Вспомним уроки биологии: у человека 23 пары хромосом – 22 пары неполовых и одна пара половых, расположенных в ядре, они и составляют основу нашего генома. Если бы мы взяли одну клетку человека, сшили все хромосомы вместе и вытянули в нить, то получили бы молекулу длиной в два метра, состоящую из шести миллиардов пар нуклеотидов. Три миллиарда нам досталось от папы и три миллиарда – от мамы.

Получается, что люди действительно ужасно сложны: наш геном состоит из 3 млрд пар нуклеотидов (то есть в генетическом “тексте” человека в 1000 раз больше символов, чем в “Войне и мире”). Но есть нюанс: у какой-то двоякодышащей рыбки по имени протоптер геном в 44 раза длиннее, чем у нас. Как так? Почему у какой-то рыбы, которая у многих европейцев и американцев живёт дома в аквариуме и крайне неприхотлива в еде, геном длиннее, чем у “венца творения”? Этот вопрос ужасно мучает и биологов и не только. Давайте разберемся, как устроен геном.

В нашем геноме есть – сюрприз – гены. Говоря простыми словами, ген – это узнаваемая последовательность букв-нуклеотидов. Это как очень-очень длинное предложение (обычно в гене тысячи и даже десятки тысяч букв). Представьте, что геном - это большая книга рецептов, а гены - отдельные рецепты блюд. У человека есть очень много – десятки тысяч – разных белков, и они делают кучу полезных вещей внутри нашего организма (мой любимый - алкоголь дегидрогеназа). Белки - это сами блюда, которые готовятся по рецептам из генома. Самые важные участки ДНК — это гены, кодирующие белки. С таких генов считываются молекулы РНК (многочисленные копии отдельных рецептов), которые затем играют роль инструкции для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность.




Призраки на кладбище генома

Было время, когда учёные полагали, что у столь сложного организма как человек должно быть очень много генов. До того, как был прочитан геном человека, учёные даже устраивали тотализаторы: сколько генов будет обнаружено? Назывались цифры вплоть до сотен тысяч. Выиграли тотализатор трое ученых, один из которых назвал цифру 27462 (дата его рождения). Позже он пояснил логику так: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно»

Многие биологи удивились, когда оказалось, что количество генов у человека и маленького круглого червя Caenorhabditis elegans примерно одинаковое. У червяка около 20 000 генов, а у нас — 20–25 тысяч, что для “венца творения” факт довольно сомнительный. Особенно если учесть, что полно организмов как с бóльшим по размеру геномом (как я уже упомянул, у рыбы протоптера геном в 44 раза больше, чем у нас с вами), так и с бóльшим количеством генов (у риса Oryza sativa 32 000 – 50 000 генов).

Но на самом деле у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же нужны остальные 98%? Может, в них скрывается секрет нашей уникальности? Или сложности? Оказалось, всё намного банальнее: существуют важные некодирующие участки ДНК. Например, это участки промоторов, на которые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих работу генов. Это теломеры, защищающие концы хромосом, и центромеры, необходимые для правильного расхождения хромосом по разным полюсам клеток при делении. Известны некоторые регуляторные молекулы РНК, а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментативных комплексов, например, рибосомальные РНК. Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.

Но, увы, оказалось, что большая часть нашего генома напоминает пустыню: повторяющиеся последовательности, останки “мёртвых” вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков, так называемые “эгоистичные мобильные элементы” — последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой, различные псевдогены — нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но всё ещё сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список “призраков”, обитающих на “кладбище генома”.

Столько мусорной ДНК в нашем геноме?

Есть точка зрения, согласно которой большая часть генома человека не функциональна. В 2004 году на страницах журнала Nature появилась статья, описывающая мышей, из генома которых вырезали значительные фрагменты некодирующей ДНК размером в 1,5 миллиона и 0,8 миллионов нуклеотидов. Авторы публикации показали, что эти мыши не отличаются от обычных строением тела, развитием, продолжительностью жизни или способностью оставлять потомство. Разумеется, какие-то отличия могли остаться незамеченными в лаборатории, но в целом это был серьёзный аргумент в пользу существования “мусорной ДНК”, от которой можно избавиться без особых последствий. Конечно, было бы интересно вырезать не пару миллионов нуклеотидов, а миллиард, оставив только предсказанные последовательности генов и известные функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную “минимальную мышь”? И сможет ли она нормально существовать? Может ли человека обойтись геномом “длиной лишь в половину метра”? Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем.

Тем временем ещё одним важным аргументом в пользу существования мусорной ДНК является наличие достаточно близких организмов с очень разными размерами геномов. Геном рыбы фугу примерно в 8 раз меньше, чем геном человека – хотя генов в нём примерно столько же – и в 330 раз меньше, чем геном рыбы протоптера. Если бы каждый нуклеотид в геноме был функционален, то был бы уместен и такой вопрос: зачем луку геном в пять раз больший, чем нам с вами?



Однажды на колоссальные различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно. Считается, что именно Оно ввёл термин “мусорная ДНК”. Оказывается, что ещё в 1972 году, задолго до того, как был прочитан геном человека, Оно имел правдоподобные представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве “мусора” в нём. В своей статье “Столько мусорной ДНК в нашем геноме” он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30 000 генов. Это было число, близкое к правде, как мы узнали десятки лет спустя, но на тот момент совсем не очевидное. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.

Свои выводы Оно обосновывал исходя из оценки числа мутаций, случающихся в геноме человека в каждом поколении. Если бы весь геном был функционален, то в каждом поколении случалось бы слишком большое число вредных мутаций, с которыми естественный отбор просто не справился бы. Если у вас даже десять детей и на каждого в среднем по 50 вредных мутаций, скорее всего не один не окажется здоровым. Эволюция будет проблематична.

“Даже университетский комитет не смог бы выполнить что-то настолько плохо”

Вызов представлению о существовании мусорной ДНК бросил проект ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК). Получив многочисленные экспериментальные данные о том, какие части генома человека взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции или других биохимических процессах, авторы пришли к выводу, что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Разумеется, данный тезис вызвал бурное обсуждение в научном сообществе.

Одна из наиболее ироничных статей, критикующая данный вывод консорциума ENCODE, называется “О бессмертии телевизоров: „функция“ в геноме человека по лишённому эволюции Евангелию от ENCODE”. Статья начинается с эпиграфа эволюционного биолога Дэвида Пенни:

“Я был бы весьма горд служить в комитете, который разработал геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что служил в комитете, который спроектировал геном человека. Даже университетский комитет не смог бы выполнить что-то настолько плохо”.

Авторы статьи отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна. Так, один из них впоследствии уточнил, что речь идет не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40%, а другой и вовсе снизил показатель до 20%, но при этом продолжал настаивать, что термин “мусорная ДНК” нужно “устранить из лексикона”. Так появилась шутка о том, что была изобретена новая арифметика, согласно которой 20% больше, чем 80%.

По мнению авторов статьи, члены консорциума ENCODE довольно вольно интерпретируют термин “функция”. Например, существуют белки, которые называют гистонами. Они могут связывать молекулу ДНК и помогают ей компактно укладываться. Гистоны могут подвергаться определённым химическим модификациям. Согласно ENCODE, предположительной функцией одной из таких модификаций гистонов является “предпочтение находиться в 5′-конце генов” (5′-конец — это конец гена, от которого движутся ферменты ДНК- и РНК-полимеразы при копировании ДНК или при транскрипции). “Это примерно как сказать, что функция Белого Дома — занимать площадь земли по адресу 1600, Пенсильвания Авеню, Вашингтон, Округ Колумбия”, — отмечают учёные.

Возникает проблема и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что некоторый участок ДНК связывает важный белок, и поэтому ENCODE приписывает этому участку “функцию”. Известно, что некоторый белок (транскрипционный фактор) связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA в разных частях генома. После того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза некоторого важного белка. Мутации в этой последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться плохо, белок не будет синтезирован, и это, скорее всего, негативно скажется на выживании организма. Поэтому такая последовательность TATAAA будет поддерживаться в геноме с помощью естественного отбора, и в этом случае уместно говорить о наличии у неё функции.

Вторая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку она идентична первой, с ней тоже связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, поэтому связывание ни к чему не приводит. Если в этом участке возникнет мутация, ничего не изменится, организм не пострадает. В данном случае говорить о функции TATAAA-участка нет смысла. Впрочем, может оказаться, что наличие в геноме большого количества последовательностей TATAAA вдали от генов нужно просто для того, чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его эффективную концентрацию. В таком случае под отбором будет находиться число таких последовательностей в геноме.

Чтобы доказать, что некоторый участок ДНК функционален, недостаточно показать, что в этом участке происходит некий биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией обладают участки ДНК, которые вовлечены в транскрипцию. “Но почему нужно акцентировать внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, в то время как можно сказать, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом биохимическом процессе — репликации!”, — снова шутят над учёными их коллеги по цеху.

Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в нём достаточно вредны и значительные изменения этого участка не наблюдаются из поколения в поколение. Как определить такие участки? Здесь на помощь приходит биоинформатика. Мы можем взять геном человека и мыши и найти все участки ДНК, похожие между ними. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов очень похожи. Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, довольно консервативны, то есть мутации в них достаточно вредны, чтобы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства. Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от вредных мутаций. Другие участки геномов будут иметь значительные расхождения между видами, что указывает на то, что мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, а значит, их функциональная роль как минимум не велика или не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов.

Это напоминает историю про математика Абрахама Вальда и самолёты. Во время Второй мировой войны Вальду поручили анализировать статистику отверстий от пуль в вернувшихся с заданий самолётах с целью оптимизации брони. Наивная логика генералов была такая: надо укреплять места, где больше дыр. Но Вальд пояснял, что, наоборот, укреплять надо места, где дырок не видно. Ведь мы наблюдаем смещённую выборку самолётов. Самолёты с дырками в других местах просто не вернулись. Та же логика применима к мутациями (дыркам от пуль) и геномам (самолётам).



В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора. Оказалось, что только около 6,5–10% генома человека находятся под этим эффектом, причём некодирующие участки, в отличие от кодирующих, в значительно меньшей степени подвержены отрицательному отбору. Получается, что с точки зрения эволюционных критериев менее 10% генома человека функциональна. Обратите внимание, как близок был Оно в 1972 году!

Время от времени появляются сенсации, что ученые расшифровали функцию каких-то участков ДНК, раньше считавшихся мусором. Но чаще всего здесь имеются ввиду не функции мусора, а функции некодирующих ДНК. Как было сказано выше, примерно 1% генома человека кодирует белки. Выходит, что где-то 5,5% - 9% генома и мусором не являются и белки не кодируют. Функции такой важной, но некодирующей ДНК, действительно, до сих пор изучаются (местами остается загадкой), но не надо путать некодирующую ДНК и мусорную.

О преимуществах большого генома

Означает ли это, что остальные 90% генома человека — совсем уж мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. И вообще есть идея, что правильней использовать термин барахло, а не мусор. Мусор - это что-то вредное, а барахло, это, например, старый слегка ржавый велосипед, который лежит в гараже, никем не используется, но и никому не мешает. Кроме того есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. Например, вирусы и различные эгоистичные самокопирующиеся элементы ДНК могут встраиваться в разные участки на хромосомах человека. Если такое встраивание произойдет в важном гене будет беда, а если в “барахляной” ДНК, то ничего страшного.

У бактерий репликация генома является серьезным лимитирующим фактором, препятствующим эффективному размножению. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергетических затрат организма на фоне затрат на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и так далее. В то же время большой геном может являться важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций в них в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. Таким образом, организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим на отдельном организме, но он может играть важную роль на уровне популяции.

Стоит дать адекватную оценку работы консорциума ENCODE. Да, идея, что 80% или даже 20% генома человека функциональна — спорна, но это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В рамках ENCODE было получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и так далее. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от “мусора” в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.

Список литературы:
https://docs.google.com/document/d/1zgqrIfXASW3D4xWjPgaCfw3FEyNKDKIRJrEwuNRsr7k/edit
Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх