Основа клетки — это молекулы ДНК, в которых закодирована вся информация о жизни человека от его рождения, начиная с развития эмбриона, и до самой смерти. В структуре клеточной ДНК зашифрована информация о синтезе необходимых белков, особенностях обмена веществ. Но структура их непостоянна, нередко вирусы, бактерии или иные влияния (радиация, химические соединения) могут приводить к мутациям, изменениям определенных участков и генов, что может провоцировать аномалии развития или болезни. Особенно прицельно сегодня изучают роль так называющих «прыгающих» генов — участков ДНК, обладающих определенной мобильностью. Ученые выясняют, насколько они опасны в плане провокаций различных патологий?
Основа жизни: ДНК, гены и обмен веществ
Что делает человека именно человеком? Было ли это открытие огня, промышленная революция или развитие Интернета? Или люди приобрели свои особенности обмена веществ и внешние особенности, уязвимость перед различными болезнями благодаря мутировавшим генам, которые привнесли древние вирусы или микробы, и которые сегодня расположены по всей структуре человеческой ДНК?
В структуре молекулы ДНК обнаружены особые, перемещаемые фрагменты, так называемые мобильные участки или «прыгающие гены». Когда мобильная ДНК перемещается на новое место в геноме, она может иметь либо полезные, либо вредные последствия для обмена веществ и здоровья в целом.
Каждая клетка в нашем организме содержит около 3 миллиардов фрагментов ДНК, но истинно человеческие гены составляют примерно 1% от этого. А что же тогда представляют собой все остальное в этой молекуле?
Влияние генов: синтез белка или дополнительная информация?
Почти половина структуры состоит из прыгающих генов, которые также называются мобильной ДНК или мобильными генетическими элементами. Эти участки ДНК обладают способностью перемещаться из одного места в геноме в другое, что не позволяется нормальным, функциональным генам. Прыгающие гены заняты синтезом специфических белков, которые регулируют обмен веществ, контролируют иммунные функции, регенерацию тканей, пищеварение, передачу нервных импульсов и много что еще.
Большинство прыгающих генов не являются техническими, так как их ДНК не содержит кода для создания функциональных белков. Однако, они, как полагают, влияют на активность, функциональность и действие других генов. Поэтому при участии этих фрагментов могут формироваться мутации, которые кодируют определенные белки (или их дефицит), что приводит к развитию патологий.
Долгое время мобильные участки именовали «мусорной ДНК», но сегодня ученые приближаются к выяснению важности прыгающих генов в формировании современного человека, а также их роли в развитии болезней.
Остатки эволюции: от вирусов и бактерий до человека
Вирус или бактерия часто используют прыгающие гены. Это позволяет им адаптироваться к негативным воздействиям окружающей среды, например, у микробов они определяют получение устойчивости к антибиотикам.
Гены могут также перемещаться, когда бактерия или вирус заражает людей. Хотя в человеческих клетках существуют механизмы противодействия таким событиям, как внедрение ДНК вируса или микробов, однако работают они не всегда.
Некоторые подвижные фрагменты ДНК устанавливаются в наших клетках, где они не всегда вредят, иногда они добавляют генетического разнообразия и даже полезных свойств организму. Первые прыгающие гены в человеческой эволюции можно проследить до 600 миллионов лет назад у Giardi lamblia, примитивного паразита, вызывающего сегодня такую болезнь, как лямблиоз.
Как только появились первые млекопитающие, количество вставок мобильной ДНК в их геномы резко увеличилось. Эти вставки кодировали новые белки и вели к появлению новых свойств организма. Это произошло между 40 и 12 миллионами лет назад. Как эти древние «прыгающие гены» способствовали развитию современного человека, точно неясно. Ученые считают, что их пошаговая интеграция совпала с появлением более сложной структуры мозга, что, возможно, дало человеку решающее преимущество во время эволюции приматов. И их влияние все еще может ощущаться сегодня.
Роль в развитии эмбриона
Сегодня ученые знают, что «прыгающие гены» важны для развития плаценты и активно регулируют экспрессию генов во время раннего развития эмбриона. Считается, что мобильный ген, известный как HERVK, является последствием инфицирования древним вирусом, который поселился в геноме около 200000 лет назад. HERVK включается на самой ранней стадии развития, когда эмбрион состоит еще из группы клеток, и вызывает точный антивирусный ответ, даже несмотря на отсутствие вируса.
Ученые считают, что это событие может обеспечивать развивающийся эмбрион некоторым уровнем вирусной резистентности, что, конечно же, является благоприятным признаком.
Известно, что «прыгающие гены» играют решающую роль в функционировании мозга. Один из таких генов содержит регуляторную молекулу РНК, которая важна для нормального развития мозга человека в период эмбрионального развития. Если он мутирует по каким-либо причинам, это вызывает инфантильную энцефалопатию.
Хотя теперь ученые знают, что «прыгающие гены» способствуют регуляции функций тела, они также могут наносить серьезный ущерб генам и провоцировать болезни.
«Прыгающие гены» и болезни
Мобильная ДНК может перемещаться в другое место на той же или другой хромосоме каждый раз, когда клетка делится. Если это происходит в сперматозоидах или яйцеклетках, изменение работы генов будет передано следующему поколению, в том числе и в виде хромосомных болезней. Текущая оценка таких событий колеблется от 1:20 до 1:1000 рождений.
Эти прыжки могут нарушать нормальную функцию генов и приводить к спонтанному возникновению наследственных болезней, таких как аномалии кроветворения, нейродегенерация и возрастная макулодистрофия. Другие клеточные популяции также, по-видимому, подвержены подвижным ретрансляциям ДНК. Известно, что некоторые эпителиальные раковые образования, например, поражающие желудочно-кишечный тракт, содержат мобильные генетические элементы в разных местах.
Являются ли эти события основой онкологических болезней, каков «побочный эффект» перемещения генов в генезе соматических патологий — в настоящее время точно не известно. Человеческий геном намного сложнее, чем считалось ранее. Хотя прыгающие гены — всего лишь одна часть головоломки, ученые начинают понимать вклад, привносимый вирусами в формирование новых человеческих признаков и болезни.
