Мэтт Ридли - Геном

Сегменты эгоистичной ДНК— это не просто бесплат­ные пассажиры, чье присутствие просто увеличивает длину хромосом и приводит к большим затратам энергии во время их копирования. Эти сегменты еще нарушают целостность генов. Поскольку эгоистичные сегменты имеют обыкновение перепрыгивать с места на место или встраивать свои копии в любом месте на хромосомах, ино­гда случается, что они появляются внутри действующего гена, разрывая его на части, а потом перескакивают в но­вое место, вновь сшивая ген в прежнем месте. Именно та­кое поведение транспозонов впервые описала в 1940 году блестящий ученый-генетик Барбара Мак-Клинток (Barbara McClintock), которую ученый мир долго игнорировал и не замечал. (В конце концов за свои открытия она была удо­стоена в 1983 году Нобелевской премии.) Свое открытие она сделала, наблюдая за изменениями цвета зерен куку­рузы в початках — признак, безусловно, наследуемый, но передающийся с нарушениями закона Менделя, что можно было объяснить только обратимой мутацией в гене, опре­деляющем цвет зерен (McClintock В. 1951. Chromosome or­ganisation and genetic expression. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 16: 13-47).

В геноме человека ретротранспозоны LINE-i и Alu так­же вызывают мутации, «приземляясь» в середине генов. Например, разрывая на части ген фактора сворачиваемо- сти крови, они вызывают гемофилию. Но по пока непонят­ным причинам наш геном в меньшей степени страдает от транспозонов, чем геномы других организмов. В среднем только 1 из 700 мутаций у человека вызывается «прыгаю­щими генами», тогда как у мышей примерно 10% мутаций связано с активностью транспозонов. Потенциальная опас­ность транспозонов была продемонстрирована в 1950-х годах в экспериментах на плодовых мушках дрозофилах.

Дрозофилы — излюбленный объект для генетических иссле­дований. Для чистоты экспериментов обычно используют мушек одного вида, Drosophila melanogaster, которых развели в лабораториях всего мира. Естественно, мелкие, едва замет­ные мушки часто сбегают из лабораторий и скрещиваются с аборигенными видами. Один из родственных видов мушек, Drosophila willistoni, несет в своем геноме активный транспо- зон, названный Р-элементом. Однажды в 50-х годах прошло­го столетия где-то в Южной Америке вероятно в результате кровосмешения Р-элемент из Drosophila ivillistoni перепрыг­нул в Drosophila melanogaster. (Одна из угроз, которую несут в себе так называемые ксенотрансплантанты — органы сви­ньи или бабуинов, используемые для лечения людей, — со­стоит в том, что с этими органами в геном человека могут попасть чужеродные транспозоны, так, как это произошло с Р-элементом у плодовых мушек.) С тех пор Р-элемент рас­пространился среди плодовых мушек как степной пожар. Сейчас этот транспозон может быть обнаружен практиче­ски в любой дикой плодовой мушке, хотя это уже не та фор­ма, которая впервые была зарегистрирована в 1950-х годах. Р-элемент отличался способностью встраиваться в гены и инактивировать их. Со временем у мушек сработали какие- то механизмы подавления транспозона и его копии застыли в геноме вечными бесплатными пассажирами.

В геноме человека такие активные разрушители генов, как Р-элемент, пока не зарегистрированы. Похожий транс­позон с именем «спящая красавица» был обнаружен в лосо­се. Когда в лабораторных условиях его внедрили в культу­ру клеток человека, он проявил незаурядную способность «скакать» по хромосомам, разрушая встречающиеся гены. Видимо, что-то подобное когда-то произошло и с транспо- зоном Alu, который был занесен в геном предков человека. Перенос скачущих генов от вида к виду сначала вызывает их бурную экспансию, пока геном не выработает механиз­мы подавления транспозона, после чего его малоактивные или инактивированные копии навсегда остаются «вшиты­ми» в геном. Тот факт, что гены человека сейчас не сильно

Страдают от активности транспозонов, говорит о том, что последняя инвазия случилась довольно давно, и геном уже успел справиться с ней.

В этом плане, как и во многих других, нам очень повез­ло в отличие от мушек дрозофил. Механизм подавления транспозонов у нас один и тот же. Согласно последней тео­рии этот механизм состоит в метилировании цитозина. Цитозин, как вы помните, это «буква» С в генетическом алфавите. Метилирование, или, другими словами, добавле­ние к цитозину метильной группы из атома углерода и трех атомов водорода, препятствует считыванию информации с генов. Большинство генов в геноме, а также их промоторы (структуры в начале генов, запускающих их считывание) находятся в заблокированном состоянии. Общепризнано, что метилирование в клетках используется для отключения генов, которые не нужны в данной ткани. Вот почему мозг отличается от печени, а печень от кожи и т.д. Но недавно получила подтверждение альтернативная теория назначе­ния метилирования ДНК, согласно которой этот процесс не столь важен для дифференциации тканей, как для пода­вления транспозонов и других внутригеномных паразитов. Действительно, ДНК ретротранспозонов Alu и LINE-i наи­более метилирована в геноме. На ранних стадиях развития эмбриона в клетках почти нет метилированной ДНК и все гены находятся в рабочем состоянии. В это время особые белки проходят с инспекцией вдоль всех хромосом, распо­знают и метилируют гены вирусов и транспозонов. Первое, что происходит в раковых клетках, — это демитилирование ДНК. В результате все генетические паразиты оказываются на свободе и быстро увеличиваются в числе. Именно в ре­зультате их активности в раковых клетках стремительно на­капливаются мутации, до неузнаваемости изменяя клетки. Метилирование — это первый рубеж, который выстраива­ет клетка против проникших в нее генетических паразитов (Yoder J. A. et al. 1997. Cytosine methylation and the ecology of intragenomic parasites. Trends in Genetics 13: 335-340).

Генетические паразиты чрезвычайно разнообразны по размерам и поведению. LINE-i состоит примерно из 1 400 «букв», Alu содержит как минимум 180 «букв», но есть еще более мелкие элементы, способные к копированию себя в длинные повторяющиеся последовательности. Их даже трудно назвать паразитами. Они не способны прыгать по геному и разрушать гены, но они существуют только по­тому, что способны обманным способом копировать себя. Именно эти короткие чередующиеся последовательности ДНК нашли применение в криминалистике. Познакомьтесь с «гипервариабельным минисателлитом». Эти последова­тельности не обошли своим вниманием ни одной хромосо­мы и образовали более 1 ООО колоний по всему геному. И во всех случаях данный участок хромосомы представляет собой множество повторов одного «слова» длиною при­мерно в 20 «букв». Само «слово» может меняться в разных местах хромосомы и у разных людей, но чаще всего оно представлено такой последовательностью нуклеотидов: GGGCAGGAXG (где X— любой нуклеотид). Интересно, что эта последовательность очень напоминает аналогич­ный генетический элемент в геномах микроорганизмов, где он служит точкой инициации процесса обмена генами между бактериями одного вида. Есть данные, что и в гено­ме человека эти последовательности вовлечены в обмен генами между хромосомами. Для соответствующих белков эта последовательность выступает в роли транспаранта «ЗАМЕНИ МЕНЯ».

Посмотрите, примерно так выглядит минисателлит:

GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-

GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-

GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-GGGCAGGATG-

GGGCAGGATG

В данном случае у нас 10 повторов одного «слова». В других местах на хромосомах (а таких мест тысячи) может быть от 5 до 50 повторов. Следуя инструкциям, клетка при­ступает к обмену между аналогичными последовательно­стями минисателлитов на одной или разных хромосомах.

При этом обмен происходит случайным образом, в резуль­тате чего в одном месте количество повторов уменьшает­ся, а в другом — увеличивается. Такие обмены случаются достаточно часто, чтобы гарантировать, что у каждого человека образуется совершенно уникальное чередование минисателлитов в хромосомах. В то же время этот процесс не настолько быстрый, чтобы нельзя было заметить явное сходство между родителями и детьми. Сравнение повторов в тысячах серий минисателлитов позволяет достоверно установить родственные связи и идентифицировать чело­века по биологическим образцам.

Минисателлиты впервые были обнаружены совершен­но случайно Алеком Джеффри (Alec Jeffreys) и его помощ­ницей Вики Уилсон (Vicky Wilson) в 1984 году. Они изучали эволюцию генов, сравнивая между собой гены человече­ского мышечного белка миоглобина и аналогичного белка тюленей, и вдруг в середине гена обнаружили серию повто­ряющихся последовательностей ДНК. Поскольку «слова» во всех минисателлитах почти одинаковы, но количество повторов разное, они оказались удобными элементами для обнаружения их в геноме и подсчета отличий между инди­видами. Оказалось, что число повторов в одном и том же месте на хромосоме настолько изменчиво, что минисател­литы могут служить генетическими «отпечатками пальцев». Полоски минисателлитов на генетической карте хромо­сомы выглядят, как штрих-код на товарах в супермаркете. Джеффри сразу же осознал значимость своего открытия. Забыв о гене миоглобина, который был темой его исследо­ваний, он разрабатывает различные методы применения минисателлитов на практике. Созданием базы данных ми­нисателлитов первыми заинтересовались иммиграцион­ные службы. Они решили, что с помощью биологических тестов можно определять, есть ли у человека, подавшего заявление на получение туристической визы для поездки в какую-либо страну, близкие родственники, которые уже ранее проникли в эту страну и осели там. Генетическая идентификация на практике показала всю свою мощь. Но наиболее широкое применение этот метод нашел в крими­налистике, о чем речь пойдет ниже (Jeffreys A. J. et al. 1985. Hypervariable 'minisatellite' regions in human DNA. Nature 314: 67-73).