Когда в 2000 году в ходе одного из самых амбициозных научных проектов было расшифровано около 90% генома человека, многим ученым показалось, что теперь все тайны нашего организма будут окончательно разгаданы. Но очень скоро головокружение от успехов сменилось большим недоумением. Как оказалось, почти полная расшифровка генома не только не помогла генетикам ответить на старые вопросы, накопившиеся к тому времени, но и добавила множество новых.
Блуждающие гены внутри нас

Английский генетик Джон Бердон Холдейн как-то остроумно заметил: «Мир не просто удивительнее, чем мы себе представляем, — он удивительнее, чем мы можем себе представить». Что бы вы подумали о человеке, который бы вдруг заявил, что внутри наших клеток некоторые участки генома прыгают по спирали ДНК, словно блохи по воротнику бродяги? Что у него чересчур разыгралась фантазия?

Немало подобных критических замечаний пришлось выслушать американскому ученому-генетику Барбаре Макклинток, которая первой объявила научному сообществу о существовании подвижных генов. В конце 1940-х, изучая геном кукурузы, она обнаружила, что на активность генов могут действовать какие-то неведомые элементы, способные, по ее предположению, перемещаться по ДНК. Эта новая гипотеза была настолько революционной, что коллеги-генетики встретили ее, по воспоминаниям самой Макклинток, полным непониманием и «каменным молчанием».

Понадобилось почти четыре десятилетия, чтобы ее новаторские идеи получили полное признание. Как метко заметил российский физик, нобелевский лауреат В.Л.?Гинзбург, ученый обязан быть долгожителем, если хочет дождаться признания своих работ. В 1983 году Нобелевский комитет вручил 80-летней Макклинток премию по физиологии и медицине «за открытие мобильных генетических элементов». В своей нобелевской речи она произнесла такие слова: «Геном является высокочувствительным органом клетки, который способен в условиях стресса инициировать собственную реструктуризацию и обновление». По‑настоящему мобильные элементы генома (они же транспозоны, или «прыгающие гены») были открыты через три десятилетия после их теоретического предсказания, в 1970-х. Вначале П.?Штарлингер и Д.?Шапиро обнаружили простейшие мобильные элементы, названные инсерционными (вставочными), у бактерий. Была установлена их способность вызывать мутации у простейших организмов. Выяснилось, что таких инсерционных элементов в бактериальном геноме может быть от нескольких штук до нескольких сотен. К примеру, у дизентерийной бактерии Shigella dysenteriae на сегодня известно целых 200 копий мобильных элементов. Изучение подвижных генов бактерий имеет большое практическое значение, так как с ними непосредственно связана способность бактерий приобретать устойчивость к антибиотикам.

После бактерий мобильные элементы были обнаружены в сложных организмах. В 1976 году группа советских генетиков, В.А.?Гвоздев и его коллеги, смогли найти их у дрозофилы. Уже много лет спустя выяснится, что эти элементы у плодовых мушек в своем роде уникальны. Они исполняют у них функции теломеразы — фермента, наращивающего укорачивающиеся при каждом делении клетки концы ДНК (теломеры). Также обнаружится, что эти элементы имеют большое сходство в строении с человеческими ретровирусами, среди которых самый известный — вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

Теперь, после изучения простейших организмов и дрозофилы, настала очередь найти «прыгающие» гены у позвоночных, в том числе и у человека, что и было в скором времени сделано. Стало ясно, что мобильные элементы генома чрезвычайно распространены в живой природе. В настоящее время они обнаружены во всех живых организмах, которые только попались под руку ученым — от бактерий до млекопитающих. У человека на их долю приходится огромная часть последовательности ДНК — более 40%.

Некоторые из мобильных генов, словно домашние любимцы, получили от своих первооткрывателей имена: Магеллан, Аттила, Пенелопа, Турист, Чарли, Спящая Красавица, Эмигрант, Аврора (этот «бывший» — потерявший подвижность — транспозон был открыт российскими учеными и назван так в честь легендарного крейсера).

Вырезать и вставить

Сегодня все подвижные элементы генома у высших организмов принято делить на два больших класса: ДНК-транспозоны (или просто транспозоны) и ретротранспозоны. Такое деление возникло из-за разных молекулярных механизмов, при помощи которых эти элементы перемещаются по ДНК. В статье мы сможем рассмотреть лишь первый класс мобильных элементов.

ДНК-транспозоны используют для своих перемещений механизм, который получил в научной литературе определение cut and paste (вырезать и вставить). После получения определенного сигнала извне происходит активация гена, ответственного за синтез специального фермента, транспозазы. Этот ген находится внутри транспозона, составляя его важнейшую часть. После этого транспозаза, перемещаясь вдоль ДНК, находит на ней свой транспозон по специальным меткам (инвертированным повторам), ограничивающим его с обеих сторон. Найденный транспозон аккуратно вырезается транспозазой и перемещается в другое место, подготовленное для него на ДНК, то есть вставляется в вырезанную заранее брешь.

Иногда транспозаза, закодированная в одном транспозоне, перемещает и другие, похожие мобильные элементы, в том числе те, у которых собственный ген транспозазы поврежден. Получается своеобразная взаимопомощь среди мобильных элементов (или, если хотите, паразитирование одних на других). Поражает удивительная сложность и согласованность всех этих процессов, как будто ими управляет какая-то неведомая сила, словно хороший дирижер оркестром. Надо признать, что многое в этих внутренних процессах тяжело поддается пониманию исследователей — настолько они четко организованы, сложны и скоординированы между собой.

И заключительный этап: внедренный транспозон сшивается с ДНК в новом месте. Место, откуда транспозон «выпрыгнул», подвергается процессу репарации (восстановлению целостности ДНК). Или, если «прыжок» произошел во время деления клетки, в пустое место вставляется копия элемента, снятая с сестринской молекулы ДНК. Во втором варианте происходит «размножение» транспозона — в хромосоме становится на один мобильный элемент больше. Такие перемещения несут потенциальную опасность для клетки и всего организма.

Дикие и домашние

Сегодня по приблизительным подсчетам существует около 100 генетических патологий человека, которые вызываются непосредственно мобильными элементами. И этот список продолжает расширяться. Также очевидно, что подвижные гены каким-то образом связаны со старением — с возрастом обнаруживается усиление их деятельности, вызванное ослаблением репрессивных механизмов.

Потенциальную опасность мобильных элементов для живых организмов косвенно подтверждает тот факт, что у нас имеется сразу несколько способов подавления их активности. Это прежде всего метилирование подвижных генов, когда к участку ДНК, где они расположены, присоединяется метильная группа (один атом углерода и три атома водорода — CH3). Метильную группу можно сравнить с «заглушкой»: после ее присоединения к ДНК мобильные элементы не в состоянии проявлять свою активность (подробнее о метилировании читайте в «ПМ» №? 2'2015). Также в борьбе с транспозонами живые организмы активно используют механизм РНК-сайленсинга — подавления экспрессии генов подвижных элементов при помощи коротких одноцепочечных РНК. Этот механизм обеспечивают так называемые piwiРНК, действие которых было впервые обнаружено в 2001 году в Институте молекулярной генетики РАН академиком В.А. Гвоздевым, А.А. Аравиным и их коллегами.

Долгое время после открытия считалось, что от подвижных элементов можно ожидать лишь неприятностей — например, приводящих к болезням мутаций при встраивании транспозона в ген, кодирующий белок или РНК или регулирующий их работу. Такой точки зрения придерживались и первооткрыватели структуры ДНК Д.?Уотсон и Ф. Крик. Но в последние годы появились данные, что транспозоны могут все-таки «одомашниваться» и превращаться из паразитов в полезные структуры.

Считается, что мобильные элементы из класса транспозонов были активны в период ранней эволюции многоклеточных животных, а у предка человека и обезьян прекратили свои перемещения по геному около 40 млн лет назад. В наследство от этих древних транспозонов человек тоже получил некоторые рабочие гены, в том числе обеспечивающие работу уникального механизма, при помощи которого мы боремся с чужеродными вторжениями в наш организм.

К этому механизму относятся белки RAG — прямые потомки мобильного фермента транспозазы из семейства транспозонов класса transib (элемент, открытый известным «охотником за транспозонами», российским генетиком Владимиром Капитоновым). Причем данный вид транспозонов идентифицирован исключительно в геномах беспозвоночных, которые передали в процессе эволюции свой главный фермент позвоночным, что дало нам возможность синтезировать белки RAG. Именно они, подобно умелому конструктору, собирают из разных структур гены антител, комбинируя фрагменты ДНК в клетках иммунной системы — лимфоцитах.

Вероятно, в процессе эволюции транспозоны не раз выступали в роли активных инструментов мутаций, инициируя своими перемещениями создание генетического разнообразия. Сегодня, после секвенирования генома человека известно около 50 генов, произошедших напрямую от транспозонов. Так, постепенно, в свете накопленных данных, уходит исключительно негативная оценка деятельности мобильных элементов. Напротив, сегодня многие ученые склонны рассматривать их как «генный резерв» организмов, который те используют для своего развития и противостояния стрессам. Все, что сегодня связано с мобильными генетическими элементами, активно изучается во многих лабораториях во всем мире, так как, кроме чисто научного интереса, имеет большое прикладное значение — подвижные гены оказались тесно связаны с развитием, старением и многими патологиями.

Наследство от вирусов

На долю транспозонов приходится около 3% всей последовательности человеческой ДНК. И обнаружение новых подвижных генов этого класса продолжается. Так, несколько лет назад российским генетиком Владимиром Капитоновым и его коллегами были открыты еще несколько видов мобильных элементов: Harbinger, Helitron и Polinton. Как выяснилось, они имеют большое сходство с некоторыми вирусами и с подвижными генами бактерий.

Загадочный геном

Экзон — участок гена, несущий информацию о строении белка. pG-островки — участки компактного расположения нуклеотидной пары цитозин-гуанин. Интрон — часть гена, не содержащая информации об аминокислотной последовательности. Сателлиты — последовательности нуклеотидов, представляют собой очень длинные (в несколько сотен тысяч пар нуклеотидов) участки ДНК с тандемно («голова к хвосту») повторяющимися короткими блоками из 5−200 пар нуклеотидов. LTR-ретротранспозоны — мобильные ретроэлементы с длинными концевыми повторами (long terminal repeats). SINE — короткие перемежающиеся ретроэлементы (short interspersed elements). LINE — длинные перемежающиеся ретроэлементы (long interspersed elements).

Фото Наш эксперт, Владимир Алексеевич Гвоздев, заведующий Отделом молекулярной генетики клетки Института молекулярной генетики РАН, профессор МГУ, академик РАН: «Как обычно бывает в экспериментальной фундаментальной науке, открытия появляются неожиданно, их нельзя запланировать — ставится одна задача, а в процессе попыток ее решения обнаруживается что-то совсем новое и неожиданное, только не надо проходить мимо. Так, когда-то поставленная Г. П.?Георгиевым задача исследовать принципы устройства регуляторной зоны генов у многоклеточных животных привела к открытию перемещающихся элементов генома у плодовой мушки — дрозофилы, замечательного модельного объекта молекулярной генетики. А совсем в других работах в это же время, уже не на дрозофиле, было обнаружено, что гены состоят из отдельных кусочков, кодирующих отрезки РНК, которые затем сшиваются с образованием полноценной РНК, кодирующей белок. Этого никто не мог предсказать, и это открытие было удостоено Нобелевской премии».

Ctrl-C или Ctrl-X?

Подвижные элементы генома делятся на два больших класса: ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. Первые используют для передвижения принцип «вырезать и вставить», а вторые — «копировать и вставить».

1. ДНК-транспозон в некоторой своей части содержит информацию о строении фермента транспозазы. В процессе считывания (транскрипции) формируется молекула РНК, которая транспортируется к цитоплазме и попадает в рибосому, где по ее «инструкции» строится транспозаза. Фермент возвращается в ядро и, двигаясь вдоль ДНК, находит свой транспозон по специальным меткам — так называемым двойным повторам. Затем транспозон переносится в подготовленную брешь целевой ДНК, а исходная ДНК сшивается.

2. При транскрипции ретротранспозона получившаяся РНК содержит, помимо копируемой последовательности генов, описание двух белков. Один из них занимается упаковкой смысловой части РНК в компактный рибонуклеопротеин. Второй выполняет обратную транскрипцию ретротранспозона — синтезирует последовательность нуклеотидов нового ретротранспозона в целевой ДНК в соответствии с заданной рибонуклеопротеином программой.

Статья «Враг и помощник внутри нас: мобильные генетические элементы » опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2015).