На первый взгляд наш геном выглядит как бесплодная пустыня, но в нем таятся поразительные вещи: прыгающие гены, ученые, оживляющие спящую красавицу поцелуем, и кое-что из жизни фруктовых мушек с комментариями «геномного квартета».

Дорогая тетя Хедвиг!

Для начала пара замечаний:

1. На прошлой неделе я купил два новых картриджа для принтера и три пачки бумаги по 500 листов, которые внезапно бесследно исчезли. Мне кажется, я понимаю, куда они делись.

2. Каким образом ты взломала мой пароль к компьютеру?

3. Если уж ты по ночам сидишь за моим компьютером, то хотя бы не забывай его выключать! И, пожалуйста, замени заставку рабочего стола на прежнюю, потому что розовая кошечка, машущая лапкой, доводит меня до бешенства.

4. Я только что заново заправил принтер, и он тут же выплюнул очередную порцию твоей писанины – 151 страницу! Придется прочитать. Ведь все это напечатано на моем принтере, в конце концов…

Все заимствовано у самых разных авторов. Невыносимо скучно, невнятно и с кучей ошибок. Кроме того, постоянно повторяется одно и то же… Я не эгоист! Вся эта писанина ни на что не годна.

Сводить наш наследственный материал исключительно к генам весьма недальновидно. Возможно, такой подход позволит нам обнаружить красивую серебристую звезду, но мы не увидим прилагаемый к ней внедорожник «Мерседес», потому что гены, кодирующие производство белков, составляют чуть больше одного процента всего генома. А весь огромный и на первый взгляд бесполезный «остаток» вовсе не такой уж безжизненный, как может показаться.

Если мы на секундочку отвлечемся от деталей и попробуем увидеть всю картину целиком, то заметим, что между нашим геномом и текстом, написанным тетей Хедвиг, есть что-то общее… скажем, определенные литературные недоработки. В них присутствуют и ошибки, и повторы. А плагиат так и прет из всех щелей. Но люди в этом не одиноки. Геномы большинства животных и растений находятся в похожем состоянии. Однако давайте обо всем по порядку.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

А: Эти постоянные повторы, которые демонстрирует мать-природа, просто действуют на нервы! Повторяю: просто действуют на нервы! Повторяю: просто дей…

Как и в тексте Хедвиг, в человеческом геноме есть места, которые все время повторяются. И они составляют более половины всей ДНК человека. Часть из них – это уже упомянутые теломеры (окончания хромосом), представляющие собой тысячекратные повторения последовательности ТТАГГГ и выполняющие роль узла, завязанного на конце веревки, чтобы она не расплеталась. Кроме того, они сигнализируют ремонтным машинам ДНК в клетках: «Здесь все в порядке! Проходите дальше».

В противном случае концы ДНК подвергались бы слишком большому износу и в аварийной ситуации просто связывались бы друг с другом на скорую руку. Такое слияние хромосом приводило бы к хаосу и в конечном итоге означало бы смерть клетки.

Но значительная часть повторений последовательностей в геноме объясняется другими, вполне эгоистическими причинами. Вопреки нашим ожиданиям, далеко не все гены без устали работают для того, чтобы обеспечить организму (то есть нам с вами) хорошую жизнь и приятные вечера на диване у телевизора. Среди них существуют такие, которым наплевать на общее дело. Они ведут себя в геноме как блохи на собаке, то есть паразитируют. Им безразлично, как чувствует себя собака. Личный интерес этих генов состоит в том, чтобы размножаться самим. Но у них есть и еще кое-что общее с блохами: они умеют прыгать. Имеются в виду не прыжки в высоту и не прыжки в мешках, а перескакивание с одного места ДНК на другое, а если повезет, то и в другой организм. Препятствием для них не является даже то, что этот организм может относиться к другому виду. Такие гены называют прыгающими, или транспозонами.

В общих чертах прыгающие гены подразделяют на два вида: ретротранспозоны и ДНК-транспозоны. Ретротранспозоны побуждают мРНК клеток изготавливать копии самих себя, чтобы использовать их для производства белков. Среди них выделяется реверсивная транскриптаза, обладающая небывалой способностью переводить РНК в ДНК. Такое умение поразительно, поскольку противоречит догме молекулярной биологии, сформулированной самим Фрэнсисом Криком. Она гласит, что ДНК может переводиться в РНК, но ни в коем случае не наоборот. И все же этот белок существует и, скорее всего, даже не подозревает о каких-либо догмах.

Ретротранспозоны используют свои особые способности, чтобы переводить себя в ДНК, а потом вставлять полученную копию фрагмента ДНК в другой участок генома.

Что же касается ДНК-транспозонов, то они не утруждают себя манипуляциями с РНК, а напрямую вырезают нужный фрагмент ДНК с помощью кодируемых ими же белков и вставляют его в другой участок.

Но такой процесс размножения (и транспортировки) не обеспечивает стопроцентной надежности, поэтому большинству транспозонных копий, которые мы находим в геноме, свойственны дефекты. У них отсутствуют какие-то куски, последовательности подвержены мутациям и записаны с ошибками. Такие копии не могут прыгать самостоятельно, но это вовсе не значит, что им суждена гибель. Некоторые транспозоны с дефектными белками «ездят на попутках», используя белки родственных транспозонов (так же как некоторые члены семьи время от времени пользуются чужим компьютером…).

Самыми распространенными ретротранспозонами человека являются Alu-повторы, которых насчитывается свыше миллиона копий (около 10 процентов всего нашего генома), и длинные диспергированные повторы LINE-1 (примерно полмиллиона копий и 18 процентов генома). Alu-повторы намного меньше по объему, поскольку у них нет собственной реверсивной транскриптазы, которую они заимствуют у LINE-1.

Перескакивание транспозонов на новое место может иметь неприятные последствия для организма, приводя к разрушению генов и хромосом. Например, встраивание LINE-1 в гены, отвечающие за свертываемость крови, является одной из причин гемофилии. Поэтому клетки защищаются от подобных прыжков с помощью целого арсенала средств. Они упаковывают траспозоны таким образом, чтобы их невозможно было прочитать, или маркируют скопированную с них РНК как подлежащую уничтожению. Ситуацию усугубляют случайные мутации, со временем накапливающиеся в последовательностях транспозонов. Из-за них некоторые наши прыгающие квартиранты порой так видоизменяются, что перестают функционировать. В активном состоянии находится всего 80-100 транспозонов LINE-1, а более чем из миллиона Alu-повторов лишь около 6 тысяч в состоянии передвигаться с помощью взятых взаймы белков, но обычно организм старается и их держать в состоянии покоя. Только в нервных клетках мозга несколько лет назад была отмечена повышенная активность прыгающих генов. Почему так происходит и связаны ли эти изменения в нейронах с развитием личности, пока еще не выяснено.

Что касается ДНК-транспозонов, то с ними дела обстоят еще хуже, чем с ретротранспозонами. Во многих эукариотах они, похоже, полностью выродились, и единственное, что еще можно обнаружить, – это испорченные копии, которые уже давным-давно хранятся в геноме, словно ископаемые кости динозавров.