Утверждалось, что поскольку большая часть нашей ДНК активна, она должна быть важна, но теперь с помощью гибридных клеток человека и растения было показано, что эта активность в основном представляет собой случайный шум.
Клетки, содержащие ДНК человека и растений, раскрывают нечто фундаментальное о нашем геноме. Es sarawuth/Shutterstock
Насколько важен наш геном на самом деле? Некоторые утверждают, что, поскольку большая часть нашей ДНК активна, она должна выполнять какую-то важную функцию. Другие говорят, что даже случайная ДНК будет очень активна. Как стало известно New Scientist из эксклюзивных источников, это было проверено путем изучения человеческих клеток, содержащих огромные фрагменты растительной ДНК, — и фактически случайная растительная ДНК действительно оказалась почти такой же активной, как и человеческая ДНК.
Полученные данные показывают, что значительная часть активности генома представляет собой просто шум, а не имеет какой-либо цели, и, таким образом, подтверждают предположение о том, что большая часть человеческого генома — это мусор.
«Значительная часть может быть просто объяснена фоновым шумом», — говорит Бретт Эдей из Оклендского университета в Новой Зеландии. «Это, по-видимому, в целом согласуется с идеей о «мусорной ДНК»».
Основная функция ДНК — хранение рецептов для создания белков, молекулярных машин, которые выполняют почти всю работу в клетках. Рецепты ДНК копируются для создания матричных РНК, которые переносят эти рецепты к рибосомам, клеточным фабрикам по производству белков.
Первоначально предполагалось, что почти вся ДНК состоит из рецептов для создания белков, но теперь мы знаем, что только 1,2 процента человеческого генома кодирует белки. Так что же делает остальная часть?
Начиная с 1960-х годов многие биологи утверждают, что большая часть ДНК — это мусор. Да, небольшой процент некодирующей белки ДНК действительно важен, и мы, вероятно, будем продолжать открывать полезные фрагменты в течение десятилетий, но такие открытия, по их словам, не изменят общую картину, согласно которой подавляющее большинство некодирующей ДНК — это мусор.
Например, исследование 2011 года показало, что за долгие годы сохранилось лишь около 5 процентов генома — эволюция, похоже, не заботится об остальной его части. Биологи, придерживающиеся преимущественно «мусорной» теории, также указывают на то, что размер геномов сильно различается у разных видов. Почему, например, луку требуется в пять раз больше ДНК, чем человеку? Почему у двоякодышащей рыбы в 30 раз больше ДНК?
Однако другие биологи сосредоточились на том, выполняет ли человеческая ДНК какие-либо функции — например, превращается ли она в РНК, даже если эта РНК не имеет известного назначения. В 2012 году крупный проект ENCODE пришел к выводу, что более 80 процентов человеческого генома активны в этом смысле, и заявил, что это доказывает, что он вовсе не является мусором. Некоторые биологи в этом направлении используют термин «темная ДНК» для обозначения некодирующей ДНК, подразумевая, что она важна по причинам, которые мы пока не понимаем.
В ответ на заявление ENCODE в 2013 году Шон Эдди из Гарвардского университета предложил проект случайного генома. «Предположим, мы введем несколько миллионов оснований совершенно случайной синтетической ДНК в человеческую клетку и проведем на ней проект ENCODE», — написал он.
Сохранится ли у нас по-прежнему вся та деятельность, которую ENCODE называла доказательством работоспособности? «Думаю, да», — заключил Эдди.
«На основании одних лишь измерений активности нельзя сделать никаких выводов. В этом и заключается гениальность идеи Шона Эдди о случайном геноме: нам действительно необходима эта базовая линия», — говорит Остин Ганли, также из Оклендского университета. «Без этой базовой линии любой анализ не будет иметь смысла с точки зрения определения функциональности и отсутствия полезной информации».
Однако создание синтетической ДНК — дорогостоящий процесс. До сих пор единственные попытки создания случайного генома включали в себя небольшие фрагменты ДНК длиной не более 100 000 пар оснований.
Но когда Эдей и Ганли узнали, что исследователи в Японии создали гибридные клетки человека и растения, содержащие 35 миллионов пар оснований ДНК из арабидопсиса талиана (Arabidopsis thaliana), они поняли, что это можно считать крупнейшим на сегодняшний день проектом по созданию случайного генома.
Эдди, не принимавший участия в исследовании, согласен. Растения и животные отделились от общего предка не менее 1,6 миллиарда лет назад, поэтому за это время мутации «фактически рандомизировали» некодирующую ДНК у A. thaliana. По оценке Эдди, когда его спросили об этом подходе, каждый отдельный участок мутировал несколько раз.
После первоначальных исследований, призванных проверить, действительно ли ДНК растений является фактически случайной по сравнению с человеческой клеткой, Эдей и Ганли измерили количество начальных точек для превращения ДНК в РНК на каждые 1000 пар оснований некодирующей ДНК.
Если превращение ДНК в РНК действительно является признаком функции, то вряд ли какая-либо растительная ДНК должна превращаться в РНК. В действительности, Эдей и Ганли обнаружили лишь немного меньшую активность — количество стартовых сайтов на килобазу некодирующей ДНК A. thaliana было примерно на 80 процентов меньше, чем в некодирующей ДНК человека.
Иными словами, это убедительно свидетельствует о том, что почти вся активность, зафиксированная ENCODE, представляет собой шум.
«Это превосходная демонстрация того, насколько биология, по сути, подвержена влиянию шума», — говорит Крис Понтинг из Эдинбургского университета в Великобритании. «Биохимические процессы, происходящие в этой [растительной] последовательности, явно не оказывают никакого влияния на человеческую клетку».
«Это очень элегантное исследование было необходимо», — говорит Дэн Граур из Университета Хьюстона, штат Техас. «Оно предоставляет еще одно экспериментальное доказательство того, что было очевидно уже много лет: большая часть человеческого генома — это мусор. Термин „темная ДНК“ — это смешная чушь, придуманная людьми, завидующими физике».
Анализ ДНК выявил западноафриканское происхождение в раннесредневековой Англии.
Вероятно, у пары людей, не состоящих в родстве и похороненных на кладбищах в Британии VII века, были бабушки и дедушки из Западной Африки.
В идеально спроектированной системе не было бы шума, говорит Ганли, но эволюция не создает идеальных конструкций. И шум может иметь преимущества. «Если у вас есть несовершенные системы с большим количеством шума, этот шум может фактически создавать интересные вещи, которые затем могут быть подхвачены отбором», — говорит он.
Пока что команда не может объяснить, почему активность человеческой ДНК увеличилась на 25 процентов. «Все, что мы можем сказать, это то, что это требует объяснения», — говорит Ганли.
Вполне возможно, что некоторые из дополнительных РНК действительно выполняют определенные функции – это не изменит вывод о том, что они в основном бесполезны, – но есть и другие потенциальные объяснения. Сейчас исследователи используют машинное обучение, чтобы найти способы отличить потенциально значимую активность от фонового шума.
Команда планирует опубликовать результаты исследования, но пока еще не написала научную статью.
Источник: www.newscientist.com
