Ровно 116 лет назад, 16 июня 1902 года в г. Хартфорде (США, штат Коннектикут) родилась Барбара Мак-Клинток — будущая нобелевская лауреатка, открывшая один из самых удивительных феноменов в генетике — «прыгающие» гены, они же мобильные (транспозабельные) элементы, или транспозоны.
Хотя Мак-Клинток выдвинула гипотезу о мобильных элементах генома еще в конце 1940-х годов, доказать их существование удалось только в 1960-1970-х годах. До этого момента ученое сообщество крайне скептически относилось к идее о генах, которые по неведомым законам перемещаются по ДНК. Эта теория ставила под сомнение утверждение о том, что геном — статичный набор кодов, передающийся от предков к потомкам.
К счастью, Мак-Клинток успела дожить до своего триумфа: за открытие транспозонов в 1983 году на 81-м году жизни она получила Нобелевскую премию, причем оказалась третьей женщиной-одиночным лауреатом «нобелевки» и первой — в категории «Нобелевская премия по физиологии и медицине».
Отношения между генами
По мере расшифровки генетических кодов и составления карт ДНК ученые постоянно сталкивались с так называемой «мусорной» ДНК. То есть, часть ДНК — это гены, которые кодируют какие-то известные соединения. А есть еще участки ДНК непонятного назначения.
В 2012 году было доказано, что 92% этой якобы ненужной ДНК на самом деле необходимы для регуляции работы различных генов. Теломеры, к примеру, оказались ключом к жизни и смерти клетки — а ведь многочисленные повторы нуклеотидов на концах хромосом тоже когда-то считались мусорной ДНК. Кстати, теломеры тоже состоят из особых мобильных элементов.
Там же, в «корзинке с мусором» обнаружились и транспозоны — элементы, которые умеют перемещаться по геному и заодно перетаскивать вместе с собой отдельные близлежащие фрагменты ДНК. Прыгающие гены — не редкость. По оценкам ученых, на них приходится практически пятая часть всего генома у плодовой мушки Drosophila melanogaster. У человека почти половина генома (45%) может в любой момент сняться с места и отправиться путешествовать, а у некоторых растений на блуждающие гены приходится до 85% генома.
Откуда взялись транспозоны? По одной из теорий, произошли от вирусов, когда-то проникших в клетки, да так там и оставшихся. По другой, транспозоны — это гены, которые попали в чужой геном в результате горизонтального переноса генетического материала из других видов.
«Копипаст» на хромосомном уровне
По способу перемещения (транспозиции) выделяют две основные категории мобильных элементов генома:
- ДНК-транспозоны: участки ДНК, которые перемещаются по принципу «cut and paste» («вырезать и вставить»). Перемещением таких элементов занимается фермент транспозаза;
- Ретротранспозоны: участник ДНК, которые распространяются по геному по принципу «copy and paste» («скопировать и вставить»), то есть сначала на их основе синтезируется РНК, на ее основе образуется последовательность ДНК, копирующая ретротранспозон, и, наконец, он уже встраивается в другое место генома.
Во время деления каждый сотый «блуждающий» ген меняет свое местоположение. То есть, распределение транспозонов по хромосоме может заметно измениться даже за несколько поколений.
Ранее считалось, что в среднем у каждого 20 живого новорожденного можно найти хотя бы один случай транспозиции генов. Однако несколько лет назад ученые пришли к выводу, что «скачки» генов происходят значительно чаще — все появляющиеся на свет дети уже несут в своем геноме изменения, вызванные «блуждающими» генами.
Зачем нужны блуждающие гены?
Казалось бы, зачем менять то, что прекрасно работает? Есть геном — пусть бы он и оставался стабильным, устойчивым и неизменным. Однако на сегодняшний день доказано, что мобильные элементы генома есть у всех живых существ и растений. Это значит, что эволюционно существование транспозонов оправданно и даже необходимо.
Например, даже у бактерий с их несложным геномом были обнаружены мобильные элементы, которые были названы вставочными (инсерционными). Благодаря таким элементам, бактерии приспосабливаются к действию антибиотиков, создавая штаммы, устойчивые к ним.
Исследования показали, что у нашего вида пик активности «прыгающих» генов наблюдался на заре эволюции — более 40 млн лет назад. Так, сегодня точно известно примерно о 50 генах, которые когда-то были транспозонами, но со временем «прискакали» на свое нынешнее место, да так там и остались. Например, считается, что именно благодаря «прыгающим» генам мы сейчас являемся обладателями цветного зрения. И даже некоторые гены, регулирующие беременность у млекопитающих — это тоже бывшие транспозоны.
И сегодня «блуждающие» гены несут в себе эволюционный потенциал, способность к изменениям нашего вида. Это своего рода «генный резерв», который может быть использован для адаптации вида под воздействием каких-то масштабных стрессовых факторов. Как отмечала сама Мак-Клинток в своей нобелевской речи, «геном — это высокочувствительный орган, способный при стрессовом воздействии активировать процессы изменения собственной структуры и ее обновления».
Транспозоны и болезни
Если что-то где-то может произойти — оно рано или поздно случится. Раз есть участки генома, которые могут перемещаться по всей ДНК, значит, неминуемы и ошибки этих перемещений. И среди этих ошибок наверняка будут такие, которые для организма окажутся вредными, то есть приведут к его болезни и даже к смерти.
Сегодня известно о примерно 100 болезнях, вызываемых транспозонами. Примером патологий, вызванных перемещением генов, являются нейрофиброматоз I типа и, с высокой долей вероятности, боковой амиотрофический склероз (БАС). При раке легких, молочной железы и при некоторых других онкологических заболеваниях также обнаружены следы генетических «скачков», которые, по мнению ученых, оказали свое негативное воздействие. То есть, транспозоны генерируют геномную нестабильность и тем самым повышают вероятность развития рака.
Некоторые транспозоны «блуждают» исключительно в тканях, которые производят половые клетки. Например, гемофилия может возникать «на пустом месте» при перемещении ретротранспозона ДДП-1 в область гена VIII фактора свертывания крови. В этом случае потомки получат гемофилию, которую передадут своим детям. Хотя у родителей генетических предпосылок к этому наследственному заболеванию не было.
Также блуждающие гены тесно связаны с процессами старения. Со временем ограничивающие механизмы, призванные снизить риски «вредных» транспозиций, ослабевают — и транспозоны начинают перемещаться менее предсказуемо и потенциально более опасно для человека. Есть предположение, что ряд нейродегенеративных заболеваний, развивающихся на фоне старения — тоже результат «блуждания» генов.
Можно ли остановить «скачки» генов?
Ученые подчеркивают сложность регулирования подобных процессов и отношений между генами. В клетке существуют специальные механизмы, ограничивающие жажду генов к путешествиям, и механизмы, управляющие ими. Например, подвижные гены можно заблокировать при помощи навешиваемых на эти участки ДНК метильных групп (СН3), этот способ называется метилированием. Другой вариант подавления активности мобильных элементов — сайленсинг (от английского слова silence — тишина) — их блокируют специальные короткие piwiРНК, открытые в 2001 году российскими учеными из Института молекулярной генетики.
Сегодня наука ищет способы управлять этими процессами, не полагаясь на волю случая. Для этого разрабатываются новые методы по редактированию генома и блокированию заданных мобильных элементов.
- «Прыгающие» гены — не ошибка эволюции, а один из ее ключевых механизмов. Эволюционные процессы не останавливаются на секунду. Нам с нашим коротким веком сложно это осознать, но мы продолжаем меняться как вид, адаптируясь к медленно, но верно изменяющемуся миру вокруг нас.
- К сожалению, без ошибок на этом пути обойтись нельзя, но люди учатся управлять ими. Получится ли когда-нибудь у человечества полностью перехватить контроль над мобильными элементами генома? Вряд ли. И это хорошо, потому что, скорее всего, тогда мы потеряли бы возможность эволюционировать как один из многочисленных видов на нашей планете.
