Таинственный геном человека Райан Фрэнк

9. Как изменяется наследственность

…Через десяток лет «Происхождение видов» произвели в биологической науке такую же революцию, как «Начала» в астрономии. По словам Гельмгольца, это объясняется тем, что в них содержится «абсолютно новая творческая мысль».

Томас Генри Гексли

Когда в 1859 году Дарвин впервые опубликовал свою теорию эволюции в книге «Происхождение видов путем естественного отбора», она вызвала настоящий шок в цивилизованном мире. Несмотря на то что в книге не было ни слова об эволюции человека, рассуждения о ней сквозили в каждой строке и каждой мысли. Учитывая, что у Дарвина не было реального понимания принципов работы наследственности, его рассуждения и сегодня кажутся провидческими. Он предположил, что природа осуществляет отбор по неким ключевым чертам или характеристикам, которые повышают вероятность выживания, точно так же, как заводчики животных или агрономы проводят отбор по таким свойствам, как размер зерна, качество шерсти, количество мяса, устойчивость к болезням или засухе и т. д. Вот только природный способ этого действия жесток и представляет собой игру на выживание. К примеру, большинство животных оставляют более двух потомков, однако размер популяции остается более или менее одинаковым. Дарвин понял, что эти потомки должны конкурировать друг с другом за скудные ресурсы и избегать хищников. Это приводит к яростной борьбе за выживание, и те, кто получает хотя бы минимальное преимущество с точки зрения неумолимой природы, имеют больше шансов. Если это преимущество определяется наследственностью, выжившие должны передавать его своим потомкам. Со временем (а Дарвин понимал, что это должно быть очень долгое время, в течение которого мелкие изменения будут постепенно накапливаться) таких преимуществ будет становиться все больше и больше, пока, наконец, потомки не станут существенно отличаться от оригинальной родительской линии и не появится новый вид. Размывание наследственных преимуществ уменьшится, если новый вид будет географически изолирован от старого (например, если две популяции будут разделены широкой рекой или горами или одна из них будет жить на острове). Со временем новый вид станет значительно отличаться от первоначальной популяции как физически, так и репродуктивно и не сможет скрещиваться с ее представителями.

Естественный отбор — очень простая и убедительная гипотеза. Дарвин изучал различия в строении клювов птиц на Галапагосских островах, а вскоре другие натуралисты (или биологи, как мы бы сказали сегодня) обнаружили подтверждения его теории в царствах растений, животных, протистов и грибов, а также у гораздо более простых организмов, таких как бактерии и вирусы.

В то время как многие ученые были заинтригованы теорией Дарвина и разделяли ее постулаты, некоторые, например американец швейцарского происхождения Жан Луи Родольф Агассис, изучавший ледники и вымершие виды рыб, полностью отрицали любые революционные идеи по религиозным соображениям. Бывший друг Дарвина сэр Ричард Оуэн, известный натуралист и основатель Музея естественной истории в Лондоне, также часто считается противником эволюции из-за своих религиозных убеждений. Однако, судя по всему, он просто разрабатывал собственные теории и не был согласен с предложенной Дарвином концепцией естественного отбора в сочетании с постепенными изменениями. Дарвин прекрасно понимал, что естественный отбор может работать только при наличии механизмов, способных вносить изменения в наследственность живых организмов. Иными словами, для естественного отбора требуется наследственная изменчивость. Противники теории эволюции в научных кругах появлялись как раз из-за отсутствия понимания природы наследственности. По мнению сэра Джулиана Хаксли (Гексли), правнука знаменитого защитника и соратника Дарвина Томаса Генри Гексли, именно непонимание механизмов наследования подорвало веру в дарвиновскую теорию в научных кругах к концу XIX века. В первых главах своей книги «Эволюция: современный синтез» Хаксли указывает на эту проблему: «Множество критики было обрушено на голову естественного отбора как эволюционного принципа, и вся она затрагивала природу наследственной изменчивости».

Нельзя ставить Дарвину в вину то, что он не смог объяснить механизм наследственной изменчивости, ведь в его время о ней не было известно почти ничего. В своих рассуждениях ученый предполагал, что изменчивость возникает в результате некоего «смешения» наследственности обоих родителей. Первые две главы «Происхождения видов» посвящены действию такого смешения у животных и домашних растений. Но с течением времени Дарвин и сам все меньше и меньше верил в то, что этого объяснения достаточно. Эрнст Майр, один из крупнейших дарвинистов Америки, писал: «Происхождение изменчивости не давало ему покоя всю его жизнь». Сегодня мы понимаем, что под изменчивостью Дарвин имел в виду механизм или механизмы, приводящие к наследственным генетическим или геномным изменениям. Повторное открытие законов наследственности Менделя позволило ученым совершить прорыв в понимании того, как на самом деле работает наследственность. Конкретные черты или характеристики наследуются как дискретные генетические единицы, которые сегодня мы называем генами. В 1990 году голландский ботаник Хуго де Фриз сделал еще один шаг вперед, предположив, что наследственность может изменяться в результате ошибок, возникающих при копировании генов. Очевидно, самым подходящим процессом для возникновения таких ошибок (или, как назвал их де Фриз, мутаций) было размножение.

В 1920–1930-х годах существование мутаций было подтверждено экспериментально эволюционными биологами Томасом Хантом Морганом, Барбарой Макклинток и Германом Дж. Мёллером. Мутация больше не была теоретической возможностью, но превратилась в факт, причем настолько распространенный, что его оказалось возможным предсказать математически. Исследователи со всего света, среди которых были Рональд Эйлмер Фишер и Джон Бердон Сандерсон Холдейн из Британии, Сьюэл Райт и Феодосий Добржанский из США и Сергей Сергеевич Четвериков из СССР, начали работать над математическими моделями проявления естественного отбора через мутации в зародышевых линиях.

Со временем генетики выяснили, что большинство мутаций в последовательностях ДНК, возникающих в процессе формирования яйцеклеток и сперматозоидов человека, не имеют почти никакого влияния на функционирование белков, а значит, и на развитие заболеваний или эволюционный процесс. Мутации, вносившие изменения в строение белков или регулирующую функцию, обычно приводили к отрицательным последствиям, но небольшой процент мутаций изменял наследственность потомства, потенциально увеличивая шансы на выживание. Например, существуют многочисленные доказательства того, что ряд мутаций в гене Prx1 мог привести к удлинению костей передних конечностей летучих мышей, благодаря чему у них могли развиться кожистые крылья.

С медицинской точки зрения мутации в ДНК также могут возникать в ходе деления клеток, которое является обычным элементом процесса обновления органов и тканей в течение жизни организма. Эти так называемые соматические мутации могут вызывать некоторые виды рака — от лейкемии и лимфомы крови и лимфатических узлов до рака груди, кожи, почек, кишечника и т. д. На самом деле все немного сложнее. Геномы эукариотических форм жизни (то есть тех, в клетках которых есть ядра, в том числе растений и животных) имеют механизмы для исправления ошибок по мере возникновения, но эти механизмы иногда дают сбой или оказываются недостаточно эффективными.

Сегодня медицинские генетики могут назвать тысячи мутаций зародшевой линии, которые приводят к возникновению разнообразных врожденных недугов, влияющих на химические процессы в организме потомства. Многие из «ошибок обмена веществ» появляются в результате мутаций отдельных генов, но некоторые вызываются мутациями кластеров генов, отклонениями в отдельных секциях хромосом, утратой или приобретением целой хромосомы. Выше мы уже говорили о том, как рецессивная мутация бета-глобина может привести к развитию серповидно-клеточной анемии. Давайте снова сядем в наш волшебный поезд, посмотрим поближе на геном человека, которому не повезло наследовать доминантную мутацию, и разберемся, как именно она возникла.

Каждую из 46 человеческих хромосом можно представить в качестве отдельной железнодорожной ветки. Поезда могут двигаться по ним от начала к концу, но не могут менять ветки, ведь каждая хромосома представляет собой независимую структуру. Сегодня мы отправимся в дорогу с четвертого пути — по человеческой хромосоме 4. Двигаясь по нему, мы видим участок, перед которым стоит знак с надписью «Гентингтин». Выйдя из вагона и осмотрев пути, мы увидим ту же генную структуру, что и в начале нашего путешествия. Перед нами секция ДНК со шпалами-нуклеотидами, на которой написано, что она является промотором гена гентингтина. Отсюда мы продолжаем двигаться на восток, в «смысловом» направлении, до тех пор, пока не прибудем к первому экзону гена. Проехав еще немного вперед, мы видим что-то странное. Судя по всему, триплет из цитозина, аденина и гуанина (ЦАГ) много раз повторяется в шпалах.

— Ну же, — предлагаю я, — посчитайте количество повторов.

Вы с удивлением обнаруживаете, что в первом экзоне гена гентингтина последовательность ЦАГ повторяется 45 раз.

— Эта мутация вызывает болезнь Хантингтона, которая приводит к расстройству деятельности головного мозга во взрослом возрасте.

— Вы имеете в виду, что повторений быть не должно?

— Все немного сложнее. Как ни странно, у всех людей в первом экзоне этого гена много раз повторяется последовательность ЦАГ. Важно лишь то, сколько именно повторений мы наследуем. Если в вашем геноме их окажется от 6 до 34, вы не заболеете. Чем повторений больше — тем больше шансов, что у вас разовьется заболевание. Более 40 повторений означает почти стопроцентную вероятность болезни, и чем их больше, тем в более раннем возрасте у человека появляются первые симптомы.

— Выходит, тот бедняга, по чьей хромосоме мы путешествуем, болен.

— Боюсь, что да. У всех людей существует два варианта четвертой хромосомы. Один мы наследуем от матери, а второй — от отца. Если бы мы отправились в путь по другому варианту и посетили этот же участок хромосомы, мы бы увидели, что он абсолютно нормален.

— Иными словами, болезнь Хантингтона — это состояние, наследуемое по доминантному признаку?

— Все верно. Это также означает, что если бы медицина научилась отключать такой поврежденный ген, то парный ему здоровый ген начал бы действовать вместо него и болезнь можно было бы излечить.

Поначалу мутации рассматривались исключительно как изменения, влияющие на гены, которые кодируют белки. Но с течением времени ученые осознали важность генов, кодирующих регуляторные последовательности, в том числе отвечающих за белки, участвующие в генной регуляции. Генетики поняли, что мутация, воздействующая на регуляторную последовательность, которая определяет эмбриологические процессы, также может повлиять на физическое и умственное развитие плода. В последующих главах мы рассмотрим этот вопрос более подробно. Сейчас я лишь хочу объяснить вам, что те же мутационные паттерны могут иногда изменять наследственность потомства в лучшую сторону, то есть повышать его шансы на выживание. Поскольку такая мутация является наследственной, она будет передаваться следующим поколениям. Это правило действует не только для людей, но и для всех животных, растений, грибов и живых организмов в целом. Оно является ключевым для понимания того, как работает эволюция.

В течение почти целого столетия эволюционные генетики исследовали, как мутации в кодирующих белки и регуляционных последовательностях повлияли на возникновение всего разнообразия жизни на Земле — от эволюции китов и дельфинов из сухопутных млекопитающих до появления у насекомых и птиц способностей к полету. Они также обнаружили некоторые доказательства эволюции генов, которые могли отвечать за увеличение объема и сложности человеческого мозга. Однако мутации не всегда бывают такими масштабными. Небольшие изменения, которые влияют на длительность действия пищеварительного энзима лактазы в человеческом организме, могут рассказать нам очень многое об истории миграции человечества. Как мы узнаем позднее, эволюционная генетика вступает в золотой век. Сегодня восстанавливаются и исследуются геномы наших далеких предков и вымерших родственников. Очень скоро мы сможем с абсолютной точностью установить, почему европейцы могут переваривать козье и коровье молоко, а люди азиатского происхождения — не всегда. Благодаря восстановленным геномам мы уже знаем, где и как у европейцев появились голубые глаза и светлые или рыжие волосы. Благодаря геномным исследованиям ископаемых останков мы можем определить, насколько темной была кожа наших предков, а благодаря анализу зубов — как быстро росли их дети и чем они питались.

Открытие и последующее изучение мутаций дало эволюционным биологам неисчерпаемый источник информации о развитии жизни на Земле. Но случайность мутаций и возможность измерения их накопления — это лишь часть всей правды. Самих по себе случайных мутаций недостаточно для появления биологического разнообразия. Естественный отбор воздействует на вариации, возникающие в результате мутаций, но сам по себе он не случаен. Он выбирает лишь те мутации, которые способствуют выживанию и воспроизведению.

Сочетание мутаций и естественного отбора вскоре было признано важнейшим механизмом эволюции, в частности, человеческого генома. В нем также присутствует некоторая математическая привлекательность: так как мутации возникают с достаточно определенной частотой (в результате чего становятся возможными так называемые молекулярные часы, о которых мы поговорим позднее), принцип «мутации + отбор» позволял осуществлять математические экстраполяции, которые все чаще казались ученым основным, если не единственным, механизмом эволюционных изменений. На них строится неодарвинизм — современная версия дарвиновского учения. Многие преподаватели в школах и вузах до сих пор учат своих студентов, что мутации и отбор являются главнейшим, а то и основным источником наследственных изменений. Однако сегодня мы знаем, что это не так. Мутации — это лишь один из нескольких природных механизмов, приводящих к изменениям в наследственности живых существ.

В течение почти ста лет биологи и молекулярные генетики собирали информацию еще о трех механизмах, которые также приводят к возникновению наследственных изменений, необходимых для эволюции: эпигенетических системах наследования, генетическом симбиозе и гибридизации. Все эти механизмы вместе с мутацией я объединил под общим термином «геномная креативность». Это понятие я создал для своей публикации в Biological Journal of the Linnean Society, чтобы подчеркнуть, какой творческий потенциал скрыт в каждом из них. Я использовал слово «геномная», а не «генетическая», потому что само название эпигенетических систем указывает на то, что они работают не на генетическом уровне. Каждый из трех механизмов сильно отличается от мутации и имеет другое генетическое и геномное действие. После публикации этой же идеи в моей книге Virolution Гордон Н. Даттон, почетный профессор Каледонского университета Глазго, предложил мне использовать для обозначения этих механизмов аббревиатуру MESH — мутация (mutation), эпигенетика (epigenetics), симбиоз (symbiosis) и гибридизация (hybridization). Спасибо, профессор, так я и поступлю. Как и мутация, остальные три компонента MESH идеально сочетаются с дарвиновским принципом естественного отбора.

10. Преимущества совместной жизни

Если бы не плохо налаженная коммуникация между моими преподавателями и коллегами в Беркли… и моими друзьями в Лаборатории по изучению бактерий и вирусов, я, возможно, никогда не столкнулась бы с проблемами, решения которых представлены в этой книге.

Линн Маргулис

Исследования природы предоставили нам множество доказательств правоты Дарвина. Суша, воздух и вода полны примеров борьбы за выживание. Конкуренция за ресурсы, необходимость приобретения камуфляжа или защитной брони, увеличение размеров групп (например, огромные стада копытных, стаи рыб или птиц) — все это развившиеся с течением времени стратегии выживания в мире хищников. Эволюционный процесс проявляется на всех уровнях — от самых очевидных изменений до мельчайших мутаций на генном уровне. В 1976 году Ричард Докинз, в то время работавший в Оксфорде, резюмировал результаты двух десятилетий исследований в своей революционной книге «Эгоистичный ген», которую многие ученые посчитали идеальной современной адаптацией первоначальной дарвиновской теории. Однако, несмотря на то что явление конкуренции, которую и Дарвин и Докинз считали основной движущей силой эволюции, широко распространено в природе, это не единственный фактор борьбы за выживание.

В 1878 году, еще при жизни Дарвина, немецкий профессор Антон де Бари обратил внимание на то, что некоторые живые организмы приобретают преимущества за счет совместного существования. Подобный союз он назвал симбиозом. Разумеется, это наблюдение было далеко не новым. Геродот описывал ржанок, которые достают пиявок из пастей крокодилов, Аристотель рассказывал о схожих отношениях между двустворчатыми моллюсками и ракообразными, а Цицерона так поражало множество подобных примеров, что он делал вывод, будто люди узнали понятие дружбы из живой природы. Пчелы поддерживают тесные отношения с цветущими растениями: цветы снабжают их нектаром, а насекомые в свою очередь переносят пыльцу, обеспечивая растениям репродуктивный успех. Океанские хищники, например акулы и морские окуни, выстраиваются в очередь в подводных «очистительных станциях», где мелкие рыбки и креветки очищают их кожу от мусора и паразитов. За пределами таких «очистительных станций» хищники считают эту мелочь пищей.

В конце XIX века Антон де Бари и другой немецкий натуралист, Альберт Бернхард Франк создали более прочное научное основание для изучения симбиоза, дали определение самому понятию и стали первыми исследователями его биологических и эволюционных последствий. Люди часто думают о симбиозе как о взаимовыгодном сотрудничестве, но это распространенная ошибка. Давайте определимся с этим сразу. Симбиоз — это не ситуация, когда милый мальчик подходит к славной девочке, они берутся за руки, и у них все становится радужно. Для того чтобы союз между организмами считался симбиозом, выгоду от него должен получать хотя бы один из партнеров. На самом деле симбиоз часто начинается с паразитизма, который через какое-то время может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество. Биологи, изучающие симбиоз, могут привести множество примеров, находящихся посередине между этими двумя крайними точками. Даже во взаимовыгодной форме симбиоз — это жесткое взаимное сдерживание, поиск компромиссов, от результатов которого зависит выживание и всего союза, и его участников.

Одним из первых примеров симбиоза, исследованных натуралистами, были лишайники, покрывающие камни и скалы. Ранее лишайники считались отдельной ветвью биологического дерева и разделялись на многочисленные роды и виды. Теперь же было доказано, что это вовсе не независимый вид живых существ, а тесный союз водорослей и грибов.

Франк выяснил нечто важное об объединении водорослей и грибов как таковом. Когда вы идете в хозяйственный магазин и покупаете растение, чтобы посадить его в горшок, вы наверняка не задумываетесь, что большую часть того, что вы считаете корнями, составляют грибы. Все сухопутные растения имеют партнеров — грибы, которые врастают в их корни в тесном симбиозе. Растение дает грибам энергию в форме углеводов, а грибы поставляют растению воду и минералы. Это соединение называется микориза, что буквально переводится как «грибокорень». В некоторых лесах под землей находится огромная масса грибов — гигантская живая система, которая питает весь лес.

Для начала давайте проясним несколько базовых понятий. Наука, изучающая симбиоз, называется симбиологией, а ученые, работающие в этой сфере, — симбиологами. Партнеры, вступающие в симбиотический союз, называются симбионтами, а само партнерство — голобионтом. Как мы уже знаем, симбиоз может иметь форму паразитизма, когда выгоду получает только один партнер, или же взаимовыгодного сотрудничества между двумя или более участниками. Сегодня мы знаем, что симбиозы встречаются в природе повсеместно — от коралловых рифов до прерий, от тропических лесов до арктических пустынь. С самого начала понятие симбиоза предполагало наличие в природе определенной эволюционной силы — симбиогенеза. Симбиотические союзы могут принимать разные формы в зависимости от того, каким ресурсом совместно пользуются их участники. Симбиоз между корнем растения и грибом предполагает обмен продуктами химической деятельности (метаболизма) его участников, поэтому его называют метаболическим симбиозом. Другими примерами метаболического симбиоза служат лишайники и кишечные бактерии, которые играют важную роль в питании и иммунологии человека. «Очистительные станции» в океане предполагают обмен определенными видами поведения, поэтому такие союзы называют бихевиоральным симбиозом.

Для формирования симбиоза требуется долгое время, поэтому такой союз не может не привести к возникновению генетических изменений у партнеров. Возьмем, к примеру, 319 видов колибри, часто встречающихся в теплых регионах обеих Америк. Эти птицы питаются почти исключительно цветочным нектаром. Специальные суставы в строении крыльев позволяют колибри махать ими с такой частотой, что они становятся практически невидимыми. Такая адаптация позволяет птицам с невероятной точностью останавливаться прямо перед нужным цветком. В рамках симбиоза растение колумнея изменило форму своих цветов, чтобы они соответствовали удлиненной и изогнутой форме клюва симбионта — пурпурного саблекрыла — это колибри, который его опыляет. В то же время и сами птицы изменили длину и форму своего клюва, чтобы он полностью совпадал с формой цветка. Если задуматься, получается, что птицы и растения влияют на эволюцию друг друга, заставляя подстраиваться под требования симбиоза. С точки зрения эволюции естественный отбор в данном случае в значительной степени работает на уровне голобионта, то есть союза между двумя организмами.

Преимущества от такого партнерства очевидны. Только клюв пурпурного саблекрыла может проникнуть в цветок колумнеи, зато только колумнею будет опылять пыльца, которую колибри переносит на своем клюве.

Однако наиболее важной эволюционной силой обладает третий вид симбиоза — генетический.

Самый распространенный элемент в атмосфере Земли — азот, который для участия во внутренних химических процессах живых организмов должен входить в состав более сложных химических соединений. Химическая фиксация атмосферного азота — важный шаг, который делает этот свободный элемент доступным для растений и животных. Тем не менее растения и животные не способны делать это самостоятельно. Такое под силу только бактериям. Бобовые, например горох, формируют симбиотические союзы с азотофиксирующими бактериями, в частности микоризами, которые живут в клубеньках их корней. Ризобия получает необходимую ей энергию из корней хозяина, а хозяин — азот в усваиваемой форме.

Но в этом цикле есть дополнительный элемент. Большинство видов клубеньковых бактерий, живущих в почве, не могут фиксировать азот. Они приобретают эту способность только после того, как в их геном передается «симбиотический островок» — набор из шести генов азотофиксирующего вида. Передача готовых генов от одного вида к другому представляет собой механизм наследования, существенно отличающийся от тех, что мы видели ранее. Именно этот процесс и называется генетическим симбиозом.

В отличие от случайных мутаций генетический симбиоз добавляет гены с уже готовым потенциалом к существующим эволюционным линиям. Некоторые биологи называют это явление горизонтальным переносом генов, но это скорее общий термин, а не точная научная концепция. Понятие генетического симбиоза объясняет, откуда берутся переносимые гены и как работает механизм переноса. Как и мутация, это генетическое изменение является наследуемым: потомки микоризы будут иметь такой же «симбиотический островок». Кроме того, как и мутации, генетический симбиоз имеет эволюционное значение только в том случае, если он включается в генетический фонд развивающегося вида путем естественного отбора. Генетический симбиоз, работающий в паре с естественным отбором, имеет большой потенциал для создания эволюционных изменений. На самом мощном уровне, включающем слияние целых готовых геномов, он позволяет создавать новые голобионтические геномы, соединяющие в себе генетический потенциал двух или более различных эволюционных линий.

Между тремя и двумя миллиардами лет назад Земля не была покрыта зелеными растениями, как сегодня. Ее населяли первые простейшие формы жизни — бактерии и схожие с ними археи. В те времена в атмосфере еще не было кислорода. Однако многие генетические и биохимические механизмы, распространенные сегодня в живой природе, развились именно на этой микробной стадии, поэтому нет ничего удивительного в том, что совершенно разные современные виды могут иметь сходные гены и биохимические пути. Затем, около двух миллиардов лет назад, живая природа пережила два существенных изменения, которые знаменитый эволюционный биолог Джон Мэйнард Смит называет крупными переходами. Обитающие в воде цианобактерии развили в себе умение получать энергию из солнечного света — сегодня мы называем этот процесс фотосинтезом. Через какое-то время эти цианобактерии и другие фотосинтезирующие микробы сыграли роль в эволюции царства растений, превратившись в хлоропласты — органеллы клеток листа. В качестве побочного продукта фотосинтеза бактерий начал образовываться газообразный кислород, которым насыщалась океанская вода, а значит, и атмосфера. Сегодня большая часть воздуха в атмосфере Земли попадает туда за счет фотосинтеза растений, водорослей и цианобактерий, которые все еще в огромных количествах встречаются на суше и в воде. Однако такое развитие событий обернулось катастрофой для обитавших у поверхности океанов серных бактерий и археев, для которых кислород оказался смертельным ядом. Сегодня их наследники вынуждены существовать в местах, недоступных для кислорода, таких как кишечники животных, глубокие слои грязи или слои породы глубоко под землей.

Возможно, два миллиарда лет назад еще один вид бактерий осуществил переход к кислородному дыханию. Произошел второй крупный генетический симбиоз, благодаря которому смогли развиться все современные формы жизни, потребляющие кислород, включая растения, животных, грибы и множество одноклеточных организмов.

Откуда нам известно об этих невероятных событиях из далекого прошлого? Мы можем узнать о них потому, что хлоропласты в зеленых частях растений все еще сохраняют свою первоначальную микробную структуру и геномы; митохондрии в цитоплазме клеток, составляющих ткани нашего организма, также сохраняют свою бактериальную форму, структуру и остатки оригинального бактериального генома. Мы также знаем, что эволюция хлоропластов происходила многократно и включала в себя различные фотосинтезирующие микробы, в то время как симбиотический союз, приведший к появлению митохондрий, был заключен лишь однажды. По крайней мере, это верно для митохондрий в клетках животных, растений, грибов и дышащих кислородом протистов, живущих в современном мире. Моя покойная подруга Линн Маргулис была одним из первооткрывателей симбиотического характера хлоропластов и митохондрий благодаря эндосимбиотической теории, или SET (serial endosymbiosis theory), которую она сформулировала в своей книге о происхождении ядросодержащих клеток.

Симбиотическое происхождение человеческих митохондрий важно для нашего понимания того, как два генома, митохондриальный и ядерный, до сих пор сосуществуют в голобионтическом союзе.

На момент образования первого симбиотического союза древние бактерии, вероятно, имели от 1500 до 2000 генов. Сегодня в результате естественного отбора, действующего на голобионтическом уровне, геном митохондрии сократился до 37 генов. На каком-то этапе в прошлом примерно 300 изначально бактериальных генов были перенесены в ядро, где многие из них продолжают играть роль генетической связи между ядром и митохондриями, необходимой для нормального функционирования клетки. В клетках человеческого организма митохондрии располагаются в цитоплазме — клеточной среде за пределами ядра. Они превратились в органеллы, похожие по форме на сосиски и выглядящие точь-в-точь как оригинальные бактерии. Митохондрии даже размножаются бактериальным способом — почкованием, не зависящим от деления ядра.

Все это влияет на наследование болезней, возникающих в результате мутаций, затрагивающих митохондриальные гены. В то время как ядерный геном наследуется от обоих родителей и подчиняется законам Менделя (включая паттерны наследования по доминантному и рецессивному признаку и наследование, сцепленное с полом, о которых мы говорили в предыдущих главах), митохондриальный геном ребенок получает исключительно от матери, и Менделевы законы на него не распространяются.

Митохондрии выполняют в клетке крайне важную функцию — они позволяют живым клеткам дышать. Поступление кислорода, в свою очередь, связывается с многочисленными клеточными функциями, включая выработку энергии, генерирование токсичных свободных радикалов и побочных продуктов дыхания, а также регулирование апоптоза, то есть смерти клеток как важного элемента цикла обновления клеток в тканях и органах. Митохондриальный геном куда меньше ядерного (всего 16 500 пар нуклеотидов по сравнению с 6,4 миллиарда), поэтому можно ожидать, что мутации в нем будут случаться реже, а значит, и частота генетически обусловленных заболеваний будет меньше. Однако в то время как большая часть нашего ядерного ДНК не кодирует функциональные протеины, мутации в кодировке которых могут вызывать заболевания, почти вся митохондриальная ДНК является кодирующей, а значит, и вероятность болезни в результате мутации возрастает. Более того, она состоит из бактериальных генов, в которых ошибки встречаются чаще, чем в генах позвоночных. Таким образом, получается, что мутации в митохондриальных генах возникают в 10–20 раз чаще, чем можно было бы ожидать. Ситуация еще больше усложняется тем, что митохондриальное заболевание может быть вызвано мутацией, воздействующей на любой из 300 генов, перенесенных в ядро. Все это означает, что мы особо уязвимы для митохондриальных мутаций, которые могут вызывать серьезные проблемы с питанием клеток кислородом.

Митохондриальные заболевания очень сложны и зачастую имеют специфические характеристики в каждом индивидуальном (или семейном) случае, а их последствия могут быть как мягкими, так и смертельными. Неудивительно, что из-за запутанной генетической ситуации в сочетании с многочисленными вариациями симптомов генетические причины таких заболеваний часто сложно отследить, а сами болезни — диагностировать. Примерно один из 7600 новорожденных страдает от генетических отклонений, влияющих на митохондрии и приводящих к врожденным нарушениям обмена веществ. Мутации, вызывающие серьезные заболевания, были обнаружены в более чем 30 из 37 митохондриальных генов и в более чем 30 связанных с ними генов ядра. Среди таких заболеваний, например, недостаточность комплекса I, которая отвечает примерно за треть всех «пороков дыхательной цепи». Эта болезнь часто проявляется уже при рождении или в раннем детстве. Больной страдает от прогрессирующего дегенеративного заболевания мозга и нервной системы, а также различных симптомов в органах и тканях, требующих высокого уровня энергии, например головном мозге, сердце, печени и мышцах опорно-двигательного аппарата. Еще одно митохондриальное заболевание, проявляющееся во взрослом возрасте, — наследственная оптическая нейропатия Лебера, одно из самых распространенных генетических заболеваний глаз. Большая часть случаев болезни Лебера вызывается мутациями в митохондриальных генах.

Сегодня появляется все больше и больше доказательств того, что митохондриальные повреждения могут играть существенную роль в гораздо более широком спектре заболеваний и, возможно, даже в процессе старения. Учитывая развитие генетики, мы, вероятно, сможем со временем разработать эффективные методы генной терапии для лечения некоторых из этих болезней, но должны будем учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий и сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую в результате этого.

Существует и еще один микроб, который благодаря характеру своего жизненного цикла может вступать в голобионтические генетические союзы с геномами своих хозяев. Этот, на мой взгляд, странный и удивительный микроб называется ретровирусом.

11. Вирусы среди нас

Когда меня спрашивают, полиовирус — это живое или неживое существо, я всегда отвечаю «да».

Экард Виммер

В 2002 году Экард Виммер — знаменитый вирусолог немецкого происхождения, всю жизнь проработавший в Америке, и его коллеги поразили весь мир, когда сумели восстановить из разрозненных компонентов у себя в лаборатории вирус полиомиелита. За 20 лет до этого Виммер первым секвенировал геном этого вируса. Даже сегодня очень сложно точно сказать, что мы имеем в виду под термином «вирус», и с течением времени ситуация лишь усложняется. Например, недавно были открыты гигантские вирусы с 1000 или более генов, что делает их гораздо более сложными организмами (с генетической точки зрения), чем некоторые бактерии. Возможно, вместо того чтобы давать вирусам определения, разумнее было бы изучить некоторые из их базовых свойств.

Все вирусы кодируются геномами, равно как и все живое на нашей планете, от бактерий до млекопитающих. Большинство вирусных геномов строится на основе ДНК, но некоторые — на основе РНК. На самом деле вирусы — это единственные организмы, использующие РНК-код. Это заставляет некоторых биологов думать, что вирусы могли появиться на гипотетическом этапе эволюции, известном как РНК-мир, который, как считают сторонники этой теории, предшествовал нашему миру, построенному на базе ДНК. РНК в отличие от ДНК может реплицироваться без помощи белковых энзимов. Соответственно для перехода от первичного бульона химических веществ к самовоспроизведению на основании РНК потребовался бы совсем крохотный шаг. Вирусы являются облигатными паразитами, то есть всегда рождаются в клетках своих носителей. Они умирают, как и бактерии, под влиянием нагревания или токсичных химикатов. Они также проходят жизненные циклы, включающие репродуктивную фазу, что является еще одной базовой характеристикой живого организма. Следующий и, вероятно, самый важный вопрос звучит так: развиваются ли вирусы в соответствии с установленными эволюционными механизмами? Да, именно так они и делают.

Геномы вирусов мутируют быстрее, чем геномы любых других известных нам организмов. Этим частично объясняется, почему человеческому организму так сложно бороться с вирусом ВИЧ-1. Через год или два после инфицирования в одном пациенте развиваются миллионы различных модификаций вируса. Сами по себе вирусы не обладают эпигенетическими системами наследования, но иногда, проникая в ядра клеток носителя, они захватывают его систему. Способны ли они на гибридизацию? И снова можно привести множество ярких примеров — вспомните хотя бы новые пандемические вирусы гриппа, которые регулярно сеют панику во всем мире. Доступна ли вирусам симбиотическая эволюция, или, говоря научным языком, генетический симбиогенез? Ниже я расскажу, почему они являются идеальным примером этого явления.

Итак, почему некоторые ученые настаивают, что вирусы нельзя отнести к живому миру? Насколько я понимаю, это представление развивалось исторически на основании неверной предпосылки о возникновении вирусов.

Когда в середине ХХ века ученые пытались дать определение жизни, мы знали о вирусах еще очень мало, и биологи пришли к договоренности о том, что минимальным требованием к признанию организма живым должно являться наличие клеточной мембраны, внутри которой содержатся энзимные и биохимические средства для обмена веществ. Мне кажется, что создатели этого определения специально приложили усилия, чтобы исключить вирусы из понятия живого. Почему существо, имеющее клеточную мембрану, считается живым, а существо с вирусной оболочкой — нет? Что касается требования о наличии внутреннего обмена веществ, то на это способно лишь небольшое количество так называемых автотрофных бактерий. Выживание всех прочих форм жизни, включая нас самих, зависит от основных аминокислот, жирных кислот и витаминов, которые они получают из других организмов. Некоторые ученые считают, что вирусы следует исключить из мира живого из-за их паразитической природы, но ведь и многие виды бактерий также являются облигатными паразитами.

Еще одной неверной идеей, возникшей во время создания «клеточного» определения жизни, было представление о том, что некоторые вирусы, например бактериофаги и ретровирусы, развились из обломков генома хозяина, которые приобрели новые характеристики. Мне кажется, что, учитывая современное понимание эволюции вирусов, эта теория не выдерживает критики. Существуют свидетельства, указывающие на то, что бактериофаги и ретровирусы являются потомками древних линий вирусов, которые развивались (разумеется, в тесном симбиотическом союзе со своими носителями, который вирусологи называют коэволюцией) в течение многих столетий. Во время создания определения жизни биологи не имели представления о строении генома. Теперь, когда мы обладаем этой информацией, о теории развития вирусов из генома носителя можно забыть раз и навсегда. Если фаги и ретровирусы действительно являются обломками хозяйского генома, большинство генов в нем и в геноме вирусов должны совпадать. Вместо этого мы видим нечто абсолютно противоположное — большинство вирусных генов встречаются исключительно в эволюционных линиях вирусов. Вирусы — это невероятно креативные эволюционные создания, способные создавать новые гены самостоятельно. При наличии генетического сходства между вирусом и его хозяином обмен генами, скорее всего, будет куда интенсивнее проводиться в направлении от вируса к носителю.

СПИД называют чумой нашего времени. К этому заболеванию приводит заражение ретровирусом ВИЧ-1. Даже в семействе вирусов, насчитывающем множество странных членов, ретровирусы кажутся необычными. Приставка «ретро» в их названии указывает на то, что они действуют в нарушение устаревшей догмы о жестком порядке перехода от генов к белку через информационную РНК. Ретровирусы не только имеют геномы, основанные на РНК, а не на ДНК, но и обладают собственными энзимами, способными превращать вирусную РНК в комплементарную ДНК-последовательность перед введением генома в ядро клетки-носителя. Этот процесс также является ключом к пониманию того, как ретровирусы изменяют эволюционную историю носителей, которых они инфицируют. С эволюционной точки зрения ретровирус способен «захватить» зародышевые линии клеток своего хозяина и таким образом вступить в генетический симбиоз с ним, создав новый голобионтический геном, состоящий из ретровируса и генома человека.

ВИЧ-1, основной возбудитель заболевания, часто распространяется при незащищенном половом контакте (вагинальном, анальном или оральном). Вирус проникает в организм человека через ткани слизистых. Он также может напрямую попасть в кровь, если зараженный и здоровый человек воспользуются одним и тем же оборудованием для инъекций, и передаться от матери ребенку во время беременности, родов и кормления грудью. Даже на этом эпидемическом этапе, когда вирус действует как эгоистичный генетический паразит, уже можно говорить о начале симбиотической эволюции. Международные исследования показали, что скорость прогрессирования болезни у зараженных людей зависит от подтипа гена человека, известного под названием HLA-B. Это один из генов, определяющих характер иммунного ответа при трансплантации органов. Распределение подтипов HLA-B по человеческой популяции влияет на эволюцию вируса, а сам вирус за счет летальности некоторых подвидов одинаковых подтипов генов изменяет генофонд человечества.

Точно так же, как колибри и цветы, люди и вирусы влияют на эволюцию друг друга. Именно такого паттерна можно ожидать от симбиотического эволюционного развития.

Это не означает, что вирус одновременно не развивается самостоятельно или того же не происходит с человечеством. В то же время естественный отбор начинает влиять не только на людей и вирусы по отдельности, но и на симбиоз в целом. Вирусологи называют этот паттерн паразитического взаимодействия коэволюцией. С симбиологической точки зрения мы наблюдаем, как союз, начавшийся с паразитизма, со временем может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество.

Вирус ВИЧ-1 выборочно поражает иммунные клетки — лимфоциты, носящие название CD+T — хелперы. Мембраны этих клеток содержат важный иммуноглобулин CD4, который способствует слиянию клетки и вирусной оболочки. Так, вирусный геном проникает в ядро, где собственный энзим вируса, называемый обратной транскриптазой, превращает РНК-геном вируса в его ДНК-эквивалент, а затем с помощью энзима интегразы интегрирует его в геном ядра. Это удивительное влияние геномов вируса и носителя является важным шагом. После него вирус может отдать геному носителя команду производить дочерние вирусы, которые будут распространяться на другие клетки и повторять тот же процесс. Таким образом вирус будет постепенно двигаться по крови и тканям зараженного человека.

Обратите внимание на то, какую большую роль в атаке на иммунную систему носителя играет оболочка вируса, как вирус находит свою цель и как сливается с мембраной выбранной клетки, чтобы захватить ее. По мере распространения вирус снова и снова будет использовать свою оболочку, чтобы избежать противодействия иммунной системы, при этом захватывая и убивая все больше и больше клеток с CD4. По мере развития болезни вирус достигнет такой стадии, на которой в организме каждый день будут производиться миллиарды его дочерних копий. При этом они будут мутировать с огромной скоростью. Именно из-за этого быстрого распространения и стремительной мутационной эволюции вируса в организме зараженного человека с ним так сложно справиться без медицинского вмешательства. Во время фазы роста вирус проникает в половые органы, семенники и яичники, а также в железы человеческого организма, делая заразными семенную жидкость, вагинальные выделения и слюну человека для максимального распространения между носителями.

Точно так же, как ретровирус вводит свой геном в клетки CD4, многие ретровирусы поступают с зародышевыми клетками своих носителей, то есть со сперматозоидами и яйцеклетками. Это можно наблюдать на примере эпидемии ретровируса, поразившей коал в восточной части Австралии примерно 100 лет назад. Эта острая инфекция показывает нам, какой ужасной силой может обладать вирус, передающийся половым путем. Вирусологи подтверждают, что заражены уже все животные на севере страны, и эпидемия движется на юг. Со временем все коалы, кроме островных популяций, окажутся зараженными этим вирусом. Из-за вируса у животных развивается лейкемия и лимфосаркома, и уровень смертности очень велик. Изначально биологи беспокоились, что из-за эпидемии австралийским коалам может грозить вымирание, но, судя по всему, этого не произойдет. Ретровирус уже воздействует на половые клетки коал, так что в хромосомах этих животных уже присутствует от 40 до 50 вирусных локусов, которые они передадут потомкам. Так как голобионтический геномный союз имеет место в рамках ядерного, а не митохондриального генома, вставки ретровируса в геном коалы будут наследоваться в соответствии с классическими законами Менделя.

На сегодня вирус ВИЧ-1 еще не проник в половые клетки человека. Некоторые вирусологи полагают, что это невозможно, потому что ВИЧ принадлежит к подгруппе ретровирусов, называемых лентивирусами, которые не проходят процесс эндогенеза. Однако недавно лентивирусы были обнаружены в половых клетках европейских кроликов и мадагаскарских лемуров, которые, как и мы, являются приматами. Станет ли ВИЧ когда-нибудь частью нашего организма — неизвестно. Мы знаем, что множество ретровирусов попадали в зародышевые линии человека и его предков и влияли на эволюцию нашего генома, поэтому около 9 % его на сегодня состоит из ретровирусной ДНК. Ретровирусы, способные захватывать геном своего млекопитающего хозяина, называются эндогенными ретровирусами, или ЭРВ (ERV), в то время как разнообразные инфицирующие ретровирусы носят название экзогенных. Эндогенные ретровирусы человека обозначаются аббревиатурой ЭРВЧ (HERV). Она объединяет от 30 до 50 семейств вирусов, которые в свою очередь подразделяются на более чем 200 групп и подгрупп. Последние из этих эволюционных линий, попавшие в геном предков человека, называются HERV-K, десять их подтипов являются исключительно человеческими.

Каждое семейство и подсемейство ЭРВЧ было приобретено нами в ходе отдельного процесса геномной колонизации, вторжения, произошедшего во время поразившей наших предков ретровирусной эпидемии. Учитывая, что мы видим сегодня на примере СПИДа и эпидемии коал, можно представить довольно мрачную картину выживания раннего человечества между волнами заболеваний. Когда две группы ученых восстановили первоначальный геном последнего ретровируса, обосновавшегося в человеческом организме, они обнаружили, что им был крайне заразный экзогенный ретровирус, обладающий патогенным потенциалом в тканевых культурах. Приятно понимать, что мы являемся наследниками победителей. Но сегодня нам следует учитывать последствия воздействия ретровирусов, которые все еще продолжают проникать в развивающийся человеческий геном.

Когда ретровирус захватывает половую клетку, он действует как паразит, и геном носителя начинает борьбу против его нападения. Эта борьба продолжается даже в том случае, если защитникам приходится то и дело менять оружие, когда вирусный геном уже колонизировал зародышевую линию и создал вирусные локусы в хромосомах. Антитела уже не будут эффективны против такого генома, поэтому в дело вступят другие приемы деактивации вирусных локусов, например эпигенетическое глушение, о котором я расскажу подробнее в следующей главе. Но такие эпигенетические меры, как метилирование вирусных локусов, не являются окончательным решением для подавления патогенного вируса. Для постоянного глушения потребуются мутации — либо наносящие вред вирусным генам и регуляторным регионам, либо вводящие нежелательные генетические последовательности в вирусный геном. В то же время постоянное присутствие вирусного генома в зародышевой линии носителя, зачастую в виде множества копий, распределенных по хромосомам, вводит новые возможности для симбиотического генетического взаимодействия между двумя разными геномами. С течением времени количество таких возможностей возрастает.

Обратите внимание: несмотря на то, что вирус и его носитель являются независимыми субъектами эволюции, они знакомы друг с другом. Более того, они имеют общую паразитическую историю, в течение которой вирус сумел создать множество стратегий для манипулирования иммунной системой носителя и физиологией его клеток. Во всех этих стратегиях важную роль играет вирусная оболочка, кодируемая вирусным геном env. В то же время человеческий геном, и в частности его защитные системы (некоторые из них являются неизменными, а некоторые — крайне изменчивыми и адаптивными), также разработал много способов отслеживания и обезвреживания вирусов, их инородных белков и генов.

В рамках локусов ЭРВЧ, которые представляют собой целые геномы вирусов, встроенные в человеческие хромосомы, мутации «глушат» различные вирусные гены уже многие миллионы лет. Из-за этого ранние поколения генетиков игнорировали все вирусные компоненты как «мусорную ДНК». Однако сегодня мы знаем, что многие вирусные локусы остаются активными различными способами. Ретровирусы имеют собственные регуляционные последовательности, называемые длинными концевыми последовательностями (LTR). В вирусных локусах, встроенных в человеческую хромосому, LTR — последовательности представляют собой пограничные участки локуса — регулирующие механизмы, способные захватывать контроль над расположенными поблизости генами. Кроме того, они способны взаимодействовать с другими генетическими последовательностями, включая эпигенетические и регуляторные. Нам также известно, что большие участки генома под названием LINE и SINE структурно связаны с ЭРВЧ и, как показал профессор Вильярреал, координируют с ним свою работу. ЭРВЧ, LINE и SINE составляют примерно 45 % человеческого ДНК. Это ведет к возникновению ряда важных вопросов. Какую роль ретровирусное наследие играет в голобионтической эволюции человеческого генома, в нашей эмбриологии и повседневной физиологии, включая нашу подверженность заболеваниям?

12. Эволюция на геномном уровне

Тот факт, что естественный отбор одновременно действует и на генетическом, и на эпигенетическом уровне, еще больше усложняет задачу… Модели, которые учитывают влияние эпигенетической изменчивости… демонстрируют совершенно иную эволюционную динамику.

Эва Яблонка и Мэрион Дж. Лэмб

Когда мы задумываемся о том, как из оплодотворенной яйцеклетки появляется человеческое существо, логика подсказывает, что процесс эмбриогенеза должен подчиняться интегрированным и скоординированным механизмам контроля. Оплодотворенная яйцеклетка, или зигота, — это плюрипотентная клетка, то есть клетка, которая может развиться в любой орган или любую ткань человеческого организма. Когда зигота начинает делиться, дочерние клетки вначале сохраняют эту плюрипотентность. Если на этом этапе клетки отделяются от эмбриона, из каждой из них может развиться полностью здоровый человек. Так появляются близнецы, тройняшки и т. д. Но вскоре масса клеток разделяется надвое. Одна половина формирует полый клеточный шар, который станет плацентой, а вторая, внутри него, — плод. На этом этапе начинают действовать симбиотические эндогенные вирусы. Происходит экспрессия белков их оболочки, из-за которых плацента приобретает инвазивные, почти паразитические свойства, прикрепляется к стенке матки матери и создает своего рода клеточный интерфейс между матерью и плодом. Одновременно с этим внутренняя клеточная масса получает множество сложных сигналов, под влиянием которых происходит не только деление клеток, но и первичная дифференцировка клеток. Отдельные клетки эмбриона превращаются в предвестников различных органов и тканей.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой: все клетки в организме имеют одну и ту же ДНК, то есть одинаковый набор генов. Следовательно, различия между органами и тканями должно определяться не совокупностью содержащихся в них генов, а чем-то иным. Исследования шведских ученых, приведенные в предыдущей главе, показывают, что разница между клетками мозга и, например, клетками печени или крови состоит в профиле экспрессии генов в такой клетке. Можно также вспомнить, что клетки каждого типа тканей экспрессируют ограниченное количество генов, которые являются типичными именно для них. Для каждого типа клеток таких генов существует около шести. Судьба клеток и их организация в сложную по форме и функциям структуру, состоящую из различных органов и тканей тела человека, контролируется так называемой эпигенетической системой.

Возможно, некоторых читателей взволновал этот пассаж. Им могло показаться, что эпигенетика — это нечто чересчур сложное. Честно говоря, мир эпигенетики до последнего времени смущал даже ученых, но проблема состояла лишь в том, что определение и область применения эпигенетики постоянно подвергались изменениям. Теперь, когда наше понимание стало более ясным, базовые принципы этой науки можно объяснить куда проще. В частности, наше понимание так называемых некодирующих РНК прояснило ситуацию настолько, что мы можем не только описать эпигенетические процессы очень простыми словами, но и ответить на оставшиеся у нас вопросы относительно неизвестных секций человеческой ДНК.

По сути, эпигенетическая система представляет собой систему контроля, регулирующую функционирование генома. Она включает в себя ряд механизмов, которые действуют интегрированным и скоординированным образом для «включения» и «выключения» генов. Однако их роль распространяется не только на гены. Эпигенетическую систему можно сравнить с дворецким, который управляет всем домом-геномом. Для того чтобы лучше понять это, рассмотрим работу отдельных механизмов.

Мы уже знаем, что ген — это последовательность, кодирующая белок, или, если говорить точнее, группу из нескольких белков. В нашем геноме содержится около 20 500 генов. Мы также знаем, что типы клеток и, соответственно, состав различных тканей и органов определяется профилем экспрессии большого количества генов. Эпигенетическая система устанавливает эти профили, контролирует, какие гены следует включить, что они делают, какое количество белка экспрессируют и т. д. Прежде чем разобраться, как это происходит, я бы хотел рассказать кое-что интересное об эпигенетической системе контроля.

ДНК, кодирующая гены и иные функциональные последовательности генома, формируется при объединении половых клеток родителей в оплодотворенной клетке, или зиготе. Эта часть вашего генома остается неизменной на протяжении всей жизни, если на нее не повлияет мутация или вирус. Но эпигенетическая система и ее регулирующее влияние могут меняться. Она может изменять свои команды в зависимости от вашей внутренней физиологии и даже от сигналов, поступающих от окружающей среды. Например, именно эпигенетическая система говорит растениям, что пришла весна. У животных, в том числе у человека, она точно так же реагирует на важные изменения в жизненных обстоятельствах, например заболевания, стресс, боль или голод. Иными словами, хотя наши гены остаются неизменными в течение всей жизни, их экспрессия в различных органах и тканях меняется в зависимости от сигналов, поступающих системам эпигенетического контроля. Более того, наш эпигеном способен учиться на собственном опыте и подстраиваться под обстоятельства. Еще более удивительно, что иногда эти изменения могут переходить к потомкам через так называемую эпигенетическую систему наследования.

Наследование эпигенетических изменений означает, что у эпигенетики имеется эволюционный потенциал. Вот почему я считаю ее одним из механизмов «геномной креативности». Более того, способность эпигенетической системы вносить регуляционные изменения под внешним влиянием создает огромные возможности для медицины. Например, в будущем могут быть разработаны терапевтические методики, направленные на изменение экспрессии генов, вызывающих заболевания.

Сегодня нам известно четыре основные системы эпигенетического контроля.

Давайте отправимся в еще одно путешествие на нашем воображаемом поезде. Мы разворачиваемся на двойном пути (ДНК), проезжаем первый экзон и останавливаемся у ближайшего участка — промотора («переключателя» генов). Как и ранее, мы спрыгиваем с подножки, чтобы посмотреть, что будет происходить, когда за дело возьмется один из эпигенетических механизмов.

Мы слышим шум неподалеку и видим, как на горизонте появляется небольшое облачко, жужжащее, словно пчела. Это белок, называемый ДНК-метилтрансферазой. Мы видим, что облачко несет с собой крошечные группы атомов, похожие на бусины. Это метиловые группы, состоящие из атома углерода, соединенного ковалентными связями с тремя атомами водорода. На наших глазах облако присоединяет метиловую «бусину» к нуклеотиду в одной из шпал.

— Ну-ка, проверьте, что это был за нуклеотид.

— Это Ц, цитозин.

— Теперь вместе с метиловой группой он называется метилированным цитозином. Хотите верьте, хотите нет, но это простое химическое изменение — один из самых мощных эпигенетических механизмов.

Мы продолжаем следить за облаком-белком, которое движется вдоль промотора, прикрепляя к цитозину все новые и новые бусины, до тех пор пока почти все участки Ц в промоторе не оказываются метилированными.

— Вот и все, промотор закрыт. Теперь ген нельзя будет включить.

— Он закрыт навсегда?

— В эпигенетической системе нет ничего неизменного. Для того чтобы отключить его навсегда, нужно будет использовать еще и второй эпигенетический механизм. Но теперь я хочу, чтобы вы посмотрели, как метилирование может стать частью системы эпигенетического наследования. Для этого вам нужно присмотреться к нуклеотидам по соседству с цитозином.

— Ко вторым половинкам шпал?

— Нет. Мы ведь знаем, что цитозин всегда соединяется с гуанином. Смотрите на то, что рядом.

Вам нужна пара минут, чтобы распознать паттерн. За это время вы успеете рассмотреть пять или шесть шпал.

— Судя по всему, рядом с метилированным цитозином всегда находится гуанин.

— Верно. Цитозиново-гуаниновые пары являются ключом к тому, как метилированность наследуется новыми поколениями. Забирайтесь в вагон и давайте посмотрим, как это происходит.

В мгновение ока мы перемещаемся в геном половой клетки, которая как раз занимается его копированием в новый сперматозоид или яйцеклетку. Мы снова выходим из поезда, чтобы посмотреть, что произойдет с промотором во время копирования, и тут же замечаем нечто интересное.

Для начала я обращаю ваше внимание на одну из пар Ц — Г. Видно, что Ц метилирован — к нему прикреплена бусина. На наших глазах двойная спираль распадается, и начинается процесс копирования. Нуклеотиды сопоставляются друг с другом, и формируется новый путь.

Мы движемся вслед копированию от смысловой нити к новой антисмысловой и отмечаем, что каждая пара Ц — Г на смысловой нити отражается на антисмысловой как Г — Ц. Уверен, что вы ждете сюрприза.

На огромной скорости к нам подлетает очередное облако, которое, судя по всему, замечает неметилированные пары на дочерней нити, отличающиеся от метилированных на материнской. Так же быстро, как и раньше, оно движется вдоль дочерней нити, метилируя каждую пару.

— Статус метилирования передается?

— Мы только что наблюдали, как действует эпигенетическая система наследования, то есть способ передачи метилирования будущему поколению. Кроме того, благодаря нашему воображаемому поезду мы смогли подобраться поближе и увидеть кое-что интересное — как метилирование отключает экспрессию гена. Если метилирование будет наследовано следующим поколением, то и у него будет изменен профиль экспрессии генов, то есть проявится эволюционный потенциал. Иными словами, статус метилирования ведет к изменениям в наследственности. Это сила, которую я включил в свое понятие геномной креативности. Как мы видим, она выражается в том, что к уже существующему нуклеотиду, цитозину, добавляется простое химическое вещество. При этом последовательность ДНК не изменяется. Все остальные методы геномной креативности, о которых мы говорили раньше, — мутация, генетический симбиоз и гибридизация — действуют за счет изменения последовательности ДНК. Эпигенетический механизм меняет наследственность, не меняя гены. Эпигенетическая система наследования — это геномная, а не генетическая сила. Вот почему креативность в моем термине тоже геномная.

Метилирование играет огромную роль во время формирования эмбриона в матке матери. На ранних стадиях эмбиогенеза для процесса метилирования очень важна фолиевая кислота. Ее нехватка в рационе матери в первые месяцы беременности может нанести вред плоду и повышает вероятность развития врожденной спинно-мозговой грыжи. Дефекты в паттернах метилирования в разных частях генома также приводят к возникновению различных форм рака. Этот факт сегодня активно исследуется, чтобы мы могли узнать о нем больше и использовать в будущем в терапевтических целях.

Кроме того, статус метилирования может быть важен для развития патологического ожирения, которое приводит к диабету во взрослом возрасте. Некоторые исследования показывают, что эпигенетические факторы, в частности изменения в статусе метилирования в ключевых областях генома, могут играть в этом определенную роль.

— Неужели мы ничего не можем сделать, чтобы помочь самим себе?

— Можем. В отличие от генов, обладающих неизменными характеристиками, эпигенетические регуляторные системы могут меняться. Даже такая простая вещь, как регулярные занятия спортом, может сделать ваш эпигенетический код здоровее.

— Но что происходит? Кажется, мы снова куда-то едем?

— Настало время для еще одного путешествия. Я хочу, чтобы вы понаблюдали за еще одним эпигенетическим механизмом. Но на этот раз мы увидим, как двойная спираль восстанавливается во всей красе.

Наш поезд отъезжает от генома в ультрамикроскопическую область, и мы видим великолепную естественную спираль ДНК.

— На этот раз нас будет интересовать сама структура хромосомы — в данном случае человеческой хромосомы 6, содержащей крайне важный главный комплекс гистосовместимости. Первый удивительный факт, который мы откроем для себя во время поездки, состоит в том, что ранние генетики, которые усложняли жизнь Освальду Эвери, были не так уж и не правы, говоря, что белки тоже играют роль в загадке гена.

К своему восторгу, мы понимаем, что поезд может двигаться по ультрамикроскопическому ландшафту на достаточные расстояния, чтобы двойная спираль превратилась лишь в тонкую нить на горизонте. С этой дистанции мы можем заметить вещи, которых не видели раньше.

Невероятно длинная молекула ДНК не только завивается в спираль, но и обвивается второй раз более широкой спиралью вокруг каких-то странных круглых предметов, которые на расстоянии кажутся похожими на теннисные мячики, — это белки, называемые гистонами. Они располагаются группами по восемь: четыре сверху и четыре снизу. Такие группы структурированы вокруг оси — линейного белка, не похожего на фосфатный структурный элемент молекулы ДНК. Это вторичная спираль, в которой ДНК обвивается вокруг групп гистонов, пролегает по всей длине хромосомы и уходит вдаль.

Кажется, вы поражены.

— Просто невероятно, что мы можем наблюдать эту великолепную гигантскую вторичную хромосомную структуру. Если я правильно считаю, то в шестой хромосоме порядка 150 миллионов нуклеотидов.

— Куда мы едем?

— К участку, который кодирует главный комплекс гистосовместимости.

Вы поворачиваетесь ко мне с новым вопросом:

— Зачем вообще нужна эта поездка?

— Мы посмотрим на вторую эпигенетическую систему, которую называют гистоновым кодом. Как и статус метилирования, она довольно проста.

Вы выглядите сконфуженным.

— Все дело в концевых частях коровых гистонов, которые эпигенетики называют гистоновыми хвостами.

Поезд подъезжает поближе к одному из участков хромосомы, где мы можем рассмотреть его структуру и строение восьми мячиков-белков, обращенных к нам. Они плотно прилегают друг к другу и к центральной оси.

Но внезапно в их плотной структуре появляется брешь. Мы видим, как нить ДНК ослабляется и мячики в группах соединяются друг с другом более свободно.

Мы подъезжаем еще ближе.

— Внимательно смотрите на группы белков.

— Из них что-то торчит… Как будто хвостики.

— Именно! Это химические хвосты.

Гистоны в группах мячиков являются белками, поэтому они состоят из длинных цепочек аминокислот. Хвосты, тянущиеся за мячиками, — это боковые цепи. Важно понимать, что они выходят за пределы вторичной спирали ДНК, обернутой вокруг гистонов. Пока мы наблюдаем за этим, жужжащее облако-белок с бусинками-химикатами снова появляется перед нами. Мы смотрим, как оно присоединяет одну из бусинок к хвосту, и вся структура тут же начинает меняться. То, что раньше было свободно расположенной группой, снова уплотняется.

— Они снова сходятся.

— Гистоны очень чувствительны к отдельным молекулам, которые прикасаются к их хвостам.

— Как насекомые к феромонам?

Теперь удивляюсь уже я.

— Иногда это наши старые друзья, метильные группы. Но иногда это может быть и ацетатная группа или фосфат — один из других простых химических остатков, которые могут запустить изменения. Изменений может быть только два — ослабление или усиление связей в гистоновой группе. Химические вещества прикрепляются к конкретным аминокислотам в гистоне. Например, ацетильная группа выбирает аминокислоту лизин, а фосфатная — серин. Метильная группа в данном случае прикрепляется не к цитозину в ДНК, а к лизину в гистоновом хвосте.

Мы наблюдаем, как плотная спираль ДНК, обернутая вокруг группы мячиков, снова ослабевает.

— Вы поняли, что сейчас произошло?

— Ген или последовательность, которая закодирована этой частью ДНК, закрывается, когда нить прилегает плотно.

— Верно, а когда она разворачивается, он готов к трансляции.

— Получается, что гистоновый код включает и выключает ген, как и статус метилирования?

— Все это может выглядеть очень просто, но в присоединении ацетиловой, фосфатной или метиловой группы к хвостам нет никаких случайностей. Это происходит под строгим контролем других элементов эпигенетической системы, по сравнению с которыми даже тайная полиция в стране, где господствует диктатура, может показаться добряками. Как и статус метилирования, гистоновый код может меняться в течение человеческой жизни. Он реагирует на стимулы, воздействующие на геном извне. И, как и метилирование, может изменять наследственность, то есть вносить эволюционные изменения без изменения ДНК.

— Насколько силен гистоновый код? — спрашиваете вы.

— Давайте я приведу вам пример. Облако-белок, которое мы видели, представляет собой энзим дезацетилазу. Он удалил ацетильную группу с хвоста одной группы гистонов. Этот энзим называется дезацетилаза HDAC11, и мы только что видели, как он отключил ген, кодирующий белок, который участвует в работе иммунной системы человека. Данный протеин определяет, будем мы реагировать на определенный антиген как на собственный или как на инородный. С медицинской точки зрения этот единственный эпигенетический маркер определит всю нашу будущую иммунную толерантность, то есть то, как мы будем реагировать на опасный микроб или трансплантат, если у кого-то из нас вдруг откажет орган.

Я могу объяснить это еще на одном примере. Однояйцовые, или монозиготные, близнецы при зачатии являются, по сути, клонами друг друга и всю жизнь живут с одинаковыми геномами. Совокупность всех эпигенетических механизмов в организме называют эпигеномом. Однояйцовые близнецы происходят из одних и тех же плюрипотентных клеток, то есть начинают жизнь как эмбрионы с одинаковым эпигеномом. Ранее считалось, будто они и рождаются с идентичными эпигеномами, но сегодня мы знаем, что это не так. Эпигеном каждого плода, включая однояйцовых близнецов, изменяется к моменту рождения в ответ на влияние среды, отражающееся на физиологии плода во время развития в матке. Разумеется, на этом изменения не заканчиваются. Исследования, проведенные в Испании, показали, что в зависимости от обстоятельств, в которых растет и проживает жизнь каждый из однояйцовых близнецов, у них продолжают накапливаться эпигенетические различия.

На практике эпигенетическое отключение генов посредством метилирования часто подкрепляется гистонным кодом, который применяется к тому же промотору, чтобы гарантировать, что ген останется выключенным.

Возможно, нам пора сделать передышку. Я хочу, чтобы вы отдохнули перед новым, еще более увлекательным эпигенетическим приключением с участием, как говорят некоторые генетики, сводной сестры ДНК — второй нуклеотидной молекулы, которая называется РНК, или рибонуклеиновой кислотой.

Разумеется, мы уже встречались с РНК. Ослепленные блеском старшей сестры, мы полагали, что ее лучшие дни пришлись на ранние эпохи существования Земли, еще до того, как она стала зеленой планетой. В те времена жизнь находилась на химическом этапе развития, а самовоспроизводящиеся молекулы конкурировали друг с другом в первобытной грязи за необходимые элементы. Очевидно, что после ряда невероятных открытий, последовавших за открытием ДНК и способа кодирования белка с ее помощью, ученые должны были думать о генах и о человеческом геноме как о том, в чем ДНК играет ключевую роль.

Однако сегодня мы понимаем, что такая точка зрения неверна, и именно из-за этой ошибки половина человеческого генома оставалась неисследованной до 2001 года. Решение загадки заключалось в открытх недавно новых функциях РНК в рамках эпигенетики. Эти открытия изменили многое в нашем понимании генетики, биологии, молекулярной биологии и медицины. Они настолько дерзки и необычны, что нам придется пересмотреть все свои взгляды на генетику. Это ставит перед нами новые фундаментальные вопросы. Что именно мы имеем в виду под геном? Можем ли мы по-прежнему считать ген единицей наследования или это определение стоит заново обдумать? Например, Томас Джинджерас, один из исследователей в проекте ENCODE, заявляет, что фундаментальная единица генома, то есть базовая единица наследования, — это не ген, а транскрипция РНК, декодированная по ДНК.

13. Рычаги управления

Мы очень много обсуждали ДНК, потому что я приехал в Оксфорд всего с парой идей, и обе они оказались наполовину неправильными.

Сидни Бреннер

Новый этап открытий начался еще в 1991 году с работы американских биологов Виктора Эмброса, Розалинд Ли и Ронды Фейнбаум, которые исследовали ген lin -14, регулирующий развитие червя C. elegans. Как вы, возможно, помните, именно этот крошечный червь был выбран для проведения экспериментов другом и коллегой Крика Сидни Бреннером в одном из первых экспериментов с генами и молекулярной биологией развития. Возможно, вы также припоминаете, как этот червь оказался настолько полезным для Бреннера и его коллег, что впоследствии превратился в подопытное животное для тысяч лабораторных экспериментов по всему миру. Труды Бреннера были продолжены биологами Робертом Хорвицем из США и Джоном Салстоном из Англии, которые в 2002 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие «генетической регуляции развития органов и запрограммированной смерти клеток».

Выделение курсивом сделал я, так как хотел обратить ваше внимание на то, что могут означать эти слова.

В организме взрослого человека каждый день в процессе деления, или митоза, появляются триллионы новых клеток. При каждом делении клетки копируется весь геном. Одновременно с этим то же количество клеток умирает в процессе контролируемого суицида, который называется запрограммированной смертью клеток, или апоптозом. Если задуматься, то смерть, как и жизнь, оказывается вписанной в наш геном, и работа Бреннера помогла впервые понять генетику смерти. В эту более темную сторону генетического программирования вовлечены специальные регуляторные гены и генетические пути, а еще — РНК, странная сестра ДНК, Золушка среди нуклеиновых кислот.

Ряд крошечных молекул РНК длиной в 20–30 нуклеотидов был открыт еще в 1991 году, но ученые не могли с уверенностью оценить важность этого открытия. Через несколько лет проживающий в Великобритании ботаник Дэвид Боулкомб совместно со своим коллегой Эндрю Хэмилтоном обнаружил, что небольшие интерактивные молекулы РНК или миРНК способны каким-то образом отключать молекулы информационной РНК. Два генетика из США, Крейг К. Мелло и Эндрю З. Файер, решили исследовать этот механизм более детально на примере C. elegans. Они сфокусировались на генетическом контроле мышечного белка, необходимого для нормального движения червя, ввели в гонады молекулы миРНК и стали наблюдать, как это повлияет на динамику движений. Для начала они разделили миРНК на две нити — смысловую и антисмысловую. Первой в тестировании была использована смысловая нить — та, которая точно соответствовала оригинальному коду ДНК. Ни одна из нитей не оказала никакого воздействия на движения червя. Только когда обе нити были введены вместе, стал заметен определенный эффект. Червь начал дергаться неестественным образом. Точно такое же нарушенное движение наблюдалось, когда соответствующий ген оказывался поражен мутацией.

Потрясенные ученые осознали, что крошечные молекулы миРНК умеют отключать определенные информационные РНК. Иными словами, даже после того, как трансляция уже произошла, то есть информационная РНК была скопирована с гена, интроны удалены, а экзоны соединены вместе и готовая молекула РНК уже готова попасть в цитоплазму и кодировать белок, молекулы миРНК могут остановить процесс.

Теперь, по прошествии времени, мы понимаем, почему шведские ученые считали необходимым рассматривать вирусные белки не только как транскрипты информационной РНК, но и как экспрессированные белки в клетках.

Этот эпигенетический механизм называется РНК-интерференцией, которая представляет собой еще один способ эпигенетического контроля. Выводы из этого открытия казались невероятными. РНК-интерференция распознает ключевые последовательности в определенных молекулах информационных РНК, чтобы дезактивировать их или полностью уничтожить. В 2006 году Файер и Мелло получили за это открытие Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

С самых первых дней ученые действовали на основании догмата о том, что гены кодируют строго определенные белки. Затем выяснилось, что для этого требуются молекулы информационной РНК — иРНК. Другой тип РНК, транспортная, или тРНК, необходим для транспорта аминокислот в рибосомы, а третий, являющийся частью базовой структуры рибосом (рибосомальная РНК), считывает информацию с иРНК и превращает код в белок. Однако в начале существования генетики эти роли считались вторичными или, по крайней мере, промежуточными и не такими важными, как благородная центральная парадигма «ген — белок». Но теперь ученые узнали о четвертом типе РНК, РНК-интерференции — молекулярном выключателе! Разумеется, все три типа РНК, кроме информационной, должны кодироваться в хромосомах с помощью последовательностей ДНК. Но эти кодирующие области сложно назвать генами. Раз их конечным продуктом являются РНК-молекулы, значит, они не кодируют белки.

Генетики столкнулись с дилеммой. Как именно следует классифицировать генетические последовательности, кодирующие РНК? Кроме того, после открытия РНК-интерференции ряд других мелких «некодирующих» РНК тоже ставили парадигму под сомнение.

Некоторые предлагали концепцию РНК-гена, то есть гена, кодирующего РНК, но у других имелись сомнения на этот счет. Однако, как бы там ни было с терминологической точки зрения, не оставалось сомнений, что человеческий геном содержит коды большого количества разнообразных РНК-молекул, которые не кодируют белки, но тем не менее играют существенную роль в контроле и экспрессии генов.

Ингибирование РНК небольшими, некодирующими двойными молекулами РНК имело не только теоретическое значение, но и практическую важность для биологов и генетиков. Теперь они могли изучать роль того или иного гена, наблюдая за тем, что произойдет с клеткой или живым организмом после его «выключения». Эта технология имеет огромный медицинский потенциал. Например, некоторые женщины наследуют мутации генов BRCA1 или BRCA2, отвечающие за развитие рака груди или яичников. У других пациентов рано развиваются симптомы болезни Хантингтона. Теоретически, для того чтобы избавить этих людей от мучений, можно всего лишь отключить соответствующий мутировавший ген. В будущем, а возможно даже раньше, чем мы предполагаем, генетики научатся это делать.

Кроме того, РНК-интерференция — это не единственный способ влияния РНК на регулирование генов. Группа небольших некодирующих РНК, называемых piРНК, играет важную роль в эпигенетическом подавлении опасных вирусных последовательностей в человеческом геноме. Более того, существует еще один, даже более интересный, класс некодирующих РНК, который регулирует человеческий геном. Это сравнительно недавнее открытие, объясняющее черную дыру, существовавшую в проекте расшифровки генома 2001 года, — те 50 %, которые были пустыми.

У всех млекопитающих имеется половая дифференциация хромосом — X и Y. Женщины наследуют от каждого из родителей по одной Х-хромосоме, а мужчины — Х от матери и Y от отца. Кроме того, мы получаем от каждого из родителей по 22 неполовые хромосомы, называемые аутосомами. В итоге формируется ядерный геном из 46 хромосом. В то время как Y-хромосома содержит 78 генов, кодирующих белок и в основном отвечающих за образование яичек, мужское телосложение, фертильность и производство спермы, Х-хромосома насчитывает около 2000 генов, лишь отдельные из которых имеют отношение к полу. Такое хромосомное несоответствие между полами ведет к потенциальному дисбалансу в регулировании эмбриологического развития. Если бы половые хромосомы были полностью экспрессированы во время эмбриогенеза, эмбрионы женского пола (как и женщины в течение всей жизни) получали бы двойную дозу генов Х-хромосомы, а эмбрионы мужского пола (и мужчины) — одинарную. Это могло бы привести к существенным регуляторным проблемам.

В 1961 году Мэри Ф. Лайон, бывшая ученица пионера эпигенетики Конрада Х. Уоддингтона, поняла, что разгадка может заключаться в отключении одной из Х-хромосом у женщин. Ее идея подтвердилась, когда генетики доказали, что «Х-инактивация» у эмбрионов женского пола происходит примерно на 16-й день развития. Удивительно, что при этом не выбирается Х-хромосома определенного родителя. Инактивация случайным образом касается либо отцовской, либо материнской Х-хромосомы. Кроме того, отключается не вся хромосома, а около 60 % ее генов. Оставшиеся 40 % необходимы для защиты эмбриона от рецессивной мутации по Х-хромосоме. Вот почему у женщин почти не бывает цветовой слепоты или гемофилии. Им бы понадобилась двойная доза мутировавших рецессивных генов, в то время как мужчинам хватает одной копии, содержащейся в Х-хромосоме.

В 1991 году, почти через 30 лет после того, как Лайон пришла в голову идея инактивации, ученые из Стэнфордского университета выяснили, что один ген в инактивированной Х-хромосоме играет ключевую роль в процессе ее отключения. Этот ген назвали Xist, что расшифровывается как X inactive specific transcript. Ученые также предположили, что он должен действовать путем трансляции в соответствующий Xist — белок. Но его поиски ни к чему не привели. Это было удивительно, ведь они могли отследить экспрессию гена в соответствующую информационную РНК, которая проходила сплайсинг для удаления интронов и экзонов, соединенных друг с другом традиционным образом. Однако после этого иРНК не перемещалась в рибосомы для производства белка. Кажется, пришло время снова сесть на наш волшебный поезд, чтобы воочию понаблюдать за одним из самых поразительных недавних открытий в области человеческого генома. Мы въезжаем в волшебную страну, и я направляю поезд по одному из двух одинаковых путей — Х-хромосом. Мы попали в геном эмбриона женского пола в критический 16-й день эмбриогенеза.

Мы видим, как делятся клетки эмбриона и копируется геном. Рельсы нашего пути расходятся, разрываются слабые водородные связи между шпалами, и смысловая нить ДНК отделяется от антисмысловой. Скорость копирования потрясает. Надвигается метель, но вместо снежинок в ней нуклеотиды РНК — Г, А, Ц и У. На наших глазах некоторые участки смысловой нити начинают светиться разными цветами. Одни из них обозначают гены, другие — промоторы, третьи — вирусные участки, а четвертые — участки, о которых мы пока ничего не знаем. Этот процесс очень похож на кодирование белка, которое мы уже видели и при котором нить ДНК копируется на нить информационной РНК. Но здесь, судя по всему, копирование не прекращается и захватывает несколько тысяч нуклеотидов, составляющих примерно один ген. Формируется огромная молекула РНК, состоящая из 17 тысяч нуклеотидов. Судя по всему, она имеет необычную внутреннюю структуру, в которой присутствуют генетические эквиваленты точек, или стоп-кодоны. До этого мы не видели ничего подобного.

— Что это такое?

— Это длинная некодирующая РНК, результат работы того, что некоторые генетики называют РНК-геном. Научное название для нее — Xist — РНК.

Мы наблюдаем, как молекула РНК проплывает над Х-хромосомой, изменяя эпигенетические маркеры активирующих гены гистонов таким образом, что группы гистонов превращаются в плотные некодирующие формации, и собирая вокруг себя облачка белков для метилирования пар Ц — Г.

— Что происходит?

— Она отключает хромосому, но не целиком, а лишь на 60 %.

Xist был признан первым из нового удивительного класса эпигенетических контролирующих механизмов, которые мы сегодня называем длинными некодирующими РНК, или днРНК. Вскоре после этого была открыта еще одна днРНК, которая объяснила важную эпигенетическую загадку.

Генетики уже знали, что геном может распознавать происхождение хромосом из пары. Иными словами, он может выбирать отцовскую или материнскую хромосому при экспрессии определенного гена или группы генов. Эпигенетический механизм, который называется импринтингом, является ключевым фактором в развитии таких генетических заболеваний, как синдромы Прадера — Вилли или Ангельмана, потому что он выбирает поврежденную хромосому, полученную от одного из родителей, в то время как парная ей может быть абсолютно здоровой. Генетики выяснили, что основным механизмом действия импринтинга является эпигенетическое отключение определенной области второй (не выбранной) хромосомы с помощью длинной некодирующей РНК, получившей название Air.

Вдохновленные этими открытиями, ученые начали искать другие длинные некодирующие РНК и выяснили, что они вписаны в различные участки генома млекопитающих. Со временем днРНК были признаны частью недавно открытой и очень мощной эпигенетической регуляторной системы, что дало толчок новым исследованиям, которые ведутся и сейчас, пока я пишу эту книгу. Мы уже знаем, что человеческий геном, как и геном растений и животных, содержит множество длинных и коротких некодирующих РНК, среди которых днРНК длиной от 200 до 100 тысяч нуклеотидов выделяются в отдельный класс. То, что мы знаем о кодировании таких днРНК, на первый взгляд кажется необычным, но при этом поразительно логичным.

Существует второй, совершенно новый вариант считывания всего генома. Этот вариант затрагивает обычные границы генов или регуляторных последовательностей. В таком случае можно кодировать любую последовательность, входящую в состав экзона, группы экзонов, промоторного региона, или комбинации промотора и экзона, или регуляторного длинного кольцевого повтора вируса, или всего этого вместе. В результате транскипции возникают некодирующие молекулы РНК.

Вот вам и объяснение неизвестных 50 % генома.

Я вижу удивление на вашем лице. Мы все еще находимся на волшебном поезде, направляясь в обычный мир.

— Загадка состояла в том, как именно получались такие геномные последовательности. При прочтении генома в 2001 году все последовательности информационных РНК, обнаруженные в человеческой клетке, компилировались с помощью технологии, носящей название маркерных экспрессируемых последовательностей. Информационная РНК реверсировалась до ее комплементарной ДНК, или кДНК, поэтому схема 2001 года основывалась не на ДНК человеческого генома, а на совокупности кодов всех информационных РНК, экспрессированных из ДНК.