Знание-сила, 2004 № 03 (921)

Новые "кукольники" на сцене жизни

Воспроизведенный Леонардо да Винчи поперечный разрез правой ноги - первый из известных примеров такого рода. Позднее подобные рисунки стали использоваться при изучении анатомии

Еще во времена расшифровки человеческого генома исследователи столкнулись с некой загадкой: общее число генов в этом геноме явно оказывалось намного меньше, чем думалось раньше, до расшифровки. Обычно считалось, что генов в организме должно быть тем больше, чем "сложнее" сам организм. Если руководствоваться интуицией, то вроде бы человеческий организм, бесспорно, сложнее, скажем, организма червя. Тем не менее по мере расшифровки человеческого генома становилось все очевидней, что генов у человека не намного больше, чем у червя. Сегодня считается, что у человека всего 25 — 27 тысяч генов, куда меньше, чем те 100 тысяч, о которых говорили до расшифровки генома.

Где же "спрятана" в таком случае несомненная сложность человеческого организма? В поисках этой "кладовой" охотники за генами стали все чаще обращать внимание на так называемый джанк, или мусор, как именуется вся внегенная часть любого генома. Термин "джанк" был предложен много лет назад японским ученым Оно и прижился в генетике, потому что долгие годы считалось, что внегенная часть генома состоит из всякого рода повторяющихся отрезков цепи ДНК, а также "испорченных" мутациями генов (их еще называют "псевдогенами") и других бездействующих, нефункциональных участков. Кое-кого смущало, однако, что эволюция так долго терпит этот огромный и вроде бы бесполезный мусор. И некоторые ученые давно поговаривали о том, что "мусор" этот, вполне возможно, не так уж бесполезен. Но доказательств тому не было, если не считать одного странного факта.

Факт этот состоял в следующем. В то время как число генов в организме, как мы уже сказали, вроде бы не имеет прямой связи со степенью сложности этого организма, длина джанка, напротив, напрямую с этой сложностью связана. Напомним, чтоджанк по своей длине намного превосходит собственно генную часть генома. У человека, например, гены занимают всего 2 процента длины всех молекул ДНК, а джанк — остальные 98. Поэтому можно смело сказать, что длина генома (то есть общая длина всех молекул ДНК) практически определяется длиной его джанка. И вот эта длина, как оказалось, действительно грубо соответствует степени сложности организма. К примеру, общая длина молекул ДНК у человека и человекообразных обезьян (она составляет около 3 миллиардов единичных химических звеньев, так называемых нуклеотидов) — самая большая в животном мире.

Можно было бы сказать, что, дескать, эволюция просто "накопила" эти миллиарды звеньев по мере того, как усложняла свои создания, но попутно она выводила из действия все уже "пройденное", "отработанное" и перебрасывала его в "бесполезный джанк".

Но в самые последние годы обнаружилось, что дело обстоит намного сложнее. И вот одно из многочисленных тому доказательств. Недавно группа исследователей из американского Института генома провела сравнение геномов человека, коровы, собаки, свиньи и нескольких других видов на предмет выявления сходных участков. Таких участков, отличающихся лишь небольшими изменениями в порядке следования нуклеотидов, они обнаружили около 1200. Поскольку эволюция сохраняет их почти неизменными, можно думать, что эти участки имеют важное значение для всех перечисленных видов. Так вот лишь около 250 из сходных (то есть "общих" для разных видов) участков пришлись на собственно генную часть ДНК. Около 800, то есть две трети, оказались сосредоточенными в так называемых интронах — это относительно короткие куски джанка, разбросанные внутри самих генов.

До сих пор интроны считались абсолютно бесполезными для организма. Такое убеждение подкреплялось тем давно обнаруженным фактом, что при передаче генетической информации от гена к белку информация, соответствующая интронам, просто выбрасывается. И ют теперь оказывается, что эти "бесполезные" интроны чем-то так важны, что эволюция, переходя от вида к виду и все более усложняя их. сохраняет целые участки этих интронов почти без изменений. Более того, одновременно оказалось, что оставшиеся полтораста сегментов, "общих" для разных видов, вообще располагаются в джанке.

Все это говорит о том, что, вопреки прежним представлениям, у джанка, видимо, есть какие-то функции и эти функции, по всей видимости, очень важны для организмов самых разных видов. Невольно вспоминается анекдот о человеке, обидевшемся, когда ему сказали о "сером веществе" его мозга: "Не такое уж оно у меня серое!" Не такой уж он "мусор", этот джанк.

Вообще говоря, это не такая уж новость. Многие факты в сумме позволяют думать, что кроме генов, хорошо изученных в прежние десятилетия и составляющих те самые 2 процента хитины ДНК, есть еще множество каких-то иных генов (или действующих как гены участков), скрытых во "внегенной", джанковой части этих молекул.

Тут, однако, необходимо на минуту остановиться, потому что мы невольно сами создали путаницу. В самом деле, как это понять: "Гены, скрытые во внегенной части ДНК"? "Внегенные гены"? Нет ли туг противоречия?

Есть, конечно. И, как это обычно бывает, противоречие возникло из-за недоговоренности в самом определении. Что это, собственно, такое — ген?

Генетика как наука началась с определения гена как мельчайшей ("неделимой", наподобие атома) единицы наследственности. Затем, по мере выяснения молекулярной структуры генов, стало ясно, что это определенный участок молекулы ДНК (точнее, на одной ее цепи, ибо молекула ДНК состоит из двух свернутых спиралью цепей). В ходе жизнедеятельности клетки две эти свернутые друг вокруг друга цепи ДНК время от времени развертываются в нужных местах, обнажая какой-либо ген, то есть участок одной цепи, состоящий из определенной последовательности нуклеотидов. К этим нуклеотидам по определенному правилу тотчас прикрепляются дополнительные к ним нуклеотиды, образуя одноцепочечную молекулу РНК. (Кроме одноцепочечности, молекулы РНК отличаются от молекул ДНК еще двумя особенностями: их "позвоночник" составлен из химических ipynn сахара рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК, и нуклеотид тимин у них заменяется нуклеотидом урацил.)

Галочками на схеме обозначены те участки "мусорной ДНИ" (то есть как бы ненужной), где. как показывают последние исследования, спрятаны важные элементы, регулирующие многие стороны деяятельности ДНИ. Подробнее об этом - на с. 68

Этот процесс переписывания информации с гена на РНК называется "транскрипцией". При такой транскрипции на разных генах в зависимости от их типа могут образоваться несколько разных видов молекул РНК. Долгое время генетикам были известны только три: информационная, транспортная и рибосомная.

Информационная РНК (инф- РНК) несет в себе всю информацию гена, кроме интронной (эта "вырезается" на промежуточном этапе) и передает ее на рибосомную (риб-РНК), которая образует в клетке круглые тельца-рибосомы. Транспортная (т-РНК) подтаскивает к рибосоме составные части белков (аминокислоты), соответствующие тем требованиям, которые содержатся в инф-РНК. И так на рибосоме строится цепь аминокислот, или, как ес еще называют, полипептидная цепь, а уже затем из полипептидных цепей (одной или нескольких) образуются молекулы белков, которые осуществляют все важнейшие процессы жизнедеятельности в организме.

Таким образом, ген можно определить по его функции. Функционально ген — это та часть молекулы ДНК, которая "кодирует" полипептадную цепь, то есть выдает информацию, необходимую для построения такой цепи. Возникла даже догма: каждому гену соответствует одна определенная полипептидная цепь или, проще (но не совсем точно), "один ген — один белок". Молекулы РНК, занятые в процессе такого построения, считались промежуточным продуктом: они выполняли свою задачу, и все. Самостоятельного значения они как бы не имели.

И вот теперь мы можем охарактеризовать ту — не побоимся этого слона — революцию, которая произошла в последние годы, с открытием того, что мы чуть выше назвали "внегенными генами", "генами джанка".

Выяснилось, что эти гены, в общем-то тоже производящие молекулы РНК, производят, однако, .молекулы РНК других, ранее не привлекавших внимание или вообще не известных науке типов, причем типов этих существует изрядное множество. Не известно даже, все ли они уже открыты, известно лишь, что все они — маленького размера сравнительно с тремя ранее известными и выше названными инф-РНК, риб-РНК и т-РНК и что все они не переносят информацию от генов к белкам и в этом смысле не являются "белок-кодирующими" молекулами.

Все эти новооткрытые РНК-молекулы занимаются совершенно иными делами. Если попытаться сказать в самом общем виде, то они занимаются ретупировкой работы самих генов. Они их высвобождают для работы, запускают в работу, диктуют им темп производства белков, выключают из работы, когда это нужно, и так далее. Мало того, некоторые из них вмешиваются в сам процесс транскрипции обычных генов, в процесс развертывания двух цепей ДНК, необходимый для такой транскрипции, и даже в строение и химический характер хромосом, этих свернутых и окутанных белками молекул ДНК, таким образом управляя свойствами этих молекул как целого, "сверху". Американская исследовательница Гизела Шторц в недавней статье "Расширяющаяся вселенная некодирующих РНК" насчитала около десятка функций "управления", выполняемых этими "малыми" (впрочем, иногда и не столь уж малыми) молекулами РНК. Как оказалось, они участвуют также в загадочном явлении "импритинга" генов (выключении отцовских или материнских генов в нашем организме), в процессах так называемой эпигенетики (всевозможных видах воздействия на ДНК, не меняющих ее нуклеотидную последовательность), в защите клетки от некоторых вирусов и т.д., и т.п.

Проще говоря, эти PH К оказались, к величайшему удивлению самих генетиков, теми скрытыми "кукольниками", которые дергают за все главные ниточки и приводят в действие кукол на сцене; "куклами" же оказались те самые "белок-кодирующие" гены, которые раньше считались главными в клетке. Соответственно, некоторые ученые уже предлагают сегодня "понизить" этих "кукол", эти "белок-кодирующие гены" в звании и называть их наравне с теми "внегенными генами", которые производят "некодирующие" РНК-молекулы, просто "транскрипционными участками" ДНК (поскольку и те, и другие производят свои РНК с помощью процесса транскрипции). А ученые, непосредственно занимающиеся этими РНК-молекулами, уже поговаривают о том, что наряду со словами "ГЕ-ном" и "ГЕ-номика" пора уже ввести слова "PE-ном" и "РЕ-номика".

Эти "некодирующие" (но зато "регулирующие") РНК-молекулы — главное открытие последних лет в генетике или, точнее, в геномике. (А может, уже в реномике.) Это открытие буквально перевернуло всю прежнюю картину жизни и деятельности генов и самой клетки, потому мы и не побоялись выше слова "революция". В пользу такого ответственного слова говорит также тот факт, что это открытие было недавно удостоено Нобелевской премии, а научные Нобелевские премии всегда даются за фундаментальные, открывающие новые горизонты достижения в науке.

И мы еще поговорим об этих удивительных и увлекательных тайнах нашей жизни.

Игорь Лалаянц