Геномы содержат огромное количество некодирующей ДНК. Часть её необходима для жизни, часть кажется бесполезной, а часть преследует свои собственные цели. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
98% человеческого генома, не кодирующего белки, иногда называют «мусорной ДНК», но на самом деле все гораздо сложнее, чем предполагает это название.
Введение
Представьте себе человеческий геном как нить, растянутую на длину футбольного поля, со всеми генами, кодирующими белки, сгруппированными на конце, возле ваших ног. Сделайте два больших шага вперед; вся информация о белках теперь позади вас.
В геноме человека содержится три миллиарда пар оснований ДНК, но только около 2% из них кодируют белки. Остальное кажется бессмысленным раздуванием, обилием дублированных последовательностей и геномных тупиков, часто называемых «мусорной ДНК». Это поразительно нерациональное распределение генетического материала не ограничивается человеком: даже многие бактерии, похоже, выделяют 20% своего генома на некодирующий «наполнитель».
Вопрос о том, что такое некодирующая ДНК и является ли она на самом деле бесполезным мусором или чем-то большим, до сих пор остается загадкой. По крайней мере, некоторые ее участки оказались жизненно важными с биологической точки зрения. Но даже помимо вопроса о ее функциональности (или ее отсутствии), исследователи начинают понимать, как некодирующая ДНК может быть генетическим ресурсом для клеток и своего рода «ясличкой», где могут развиваться новые гены.
«Постепенно, очень постепенно термин „мусорная ДНК“ начал отмирать», — сказала Кристина Сису, генетик из Брунельского университета в Лондоне.
Ученые еще в 1960-х годах неофициально называли «мусорную ДНК», но более формально этот термин стали использовать в 1972 году, когда генетик и эволюционный биолог Сусуму Оно применил его, чтобы доказать, что большие геномы неизбежно содержат последовательности, пассивно накапливавшиеся на протяжении многих тысячелетий, которые не кодируют никаких белков. Вскоре после этого исследователи получили убедительные доказательства того, насколько много этого «мусора» в геномах, насколько разнообразно его происхождение и сколько его транскрибируется в РНК, несмотря на отсутствие чертежей для белков.
Технологические достижения в секвенировании, особенно за последние два десятилетия, во многом изменили представление ученых о некодирующих ДНК и РНК, сказал Сису. Хотя эти некодирующие последовательности не несут белковой информации, иногда они формируются в процессе эволюции для достижения различных целей. В результате функции различных классов «мусора» — если таковые вообще существуют — становятся все более ясными.
Клетки используют часть своей некодирующей ДНК для создания разнообразного набора молекул РНК, которые регулируют или помогают в производстве белков различными способами. Каталог этих молекул постоянно расширяется, включая малые ядерные РНК, микроРНК, малые интерферирующие РНК и многие другие. Некоторые представляют собой короткие сегменты, обычно менее двух десятков пар оснований в длину, в то время как другие на порядок длиннее. Некоторые существуют в виде двухцепочечных структур или закручиваются сами на себя в шпилечные петли. Но все они могут избирательно связываться с мишенью, такой как транскрипт матричной РНК, чтобы либо способствовать, либо ингибировать его трансляцию в белок.
Эти РНК могут оказывать существенное влияние на самочувствие организма. Например, экспериментальное подавление активности некоторых микроРНК у мышей вызывало расстройства, варьирующиеся от тремора до дисфункции печени.
Наибольшую долю некодирующей ДНК в геномах человека и многих других организмов составляют транспозоны — сегменты ДНК, способные изменять свое местоположение в геноме. Эти «прыгающие гены» имеют склонность к созданию множества своих копий — иногда сотен тысяч — по всему геному, говорит Сет Читэм, генетик из Университета Квинсленда в Австралии. Наиболее распространены ретротранспозоны, которые эффективно распространяются, создавая РНК-копии самих себя, которые затем преобразуются обратно в ДНК в другом месте генома. Примерно половина генома человека состоит из транспозонов; у некоторых растений кукурузы эта цифра достигает около 90%.
Некодирующая ДНК также обнаруживается в генах человека и других эукариот (организмов со сложными клетками) в интронных последовательностях, которые прерывают последовательности экзонов, кодирующих белки. При транскрипции генов экзонная РНК соединяется в мРНК, в то время как большая часть интронной РНК отбрасывается. Но часть интронной РНК может превращаться в малые РНК, участвующие в производстве белков. Почему у эукариот есть интроны — открытый вопрос, но исследователи предполагают, что интроны способствуют ускорению эволюции генов, облегчая перегруппировку экзонов в новые комбинации.
Значительная и изменчивая часть некодирующей ДНК в геномах состоит из высокоповторяющихся последовательностей различной длины. Например, теломеры, венчающие концы хромосом, в основном состоят из таких последовательностей. Вероятно, повторы помогают поддерживать целостность хромосом (укорочение теломер из-за потери повторов связано со старением). Но многие из повторов в клетках не выполняют никакой известной функции, и они могут приобретаться и теряться в процессе эволюции, по-видимому, без негативных последствий.
Одна из категорий некодирующей ДНК, которая сегодня интригует многих ученых, — это псевдогены, которые обычно рассматриваются как остатки работающих генов, случайно дублированных, а затем деградировавших в результате мутации. Пока работает хотя бы одна копия исходного гена, естественный отбор может оказывать незначительное давление на сохранение целостности избыточной копии.
Подобно поврежденным генам, псевдогены могут показаться типичным геномным мусором. Но Читэм предупреждает, что некоторые псевдогены могут вовсе не быть «псевдо». По его словам, многие из них были ошибочно приняты за дефектные копии известных генов и обозначены как псевдогены без экспериментальных доказательств их нефункциональности.
Псевдогены также могут приобретать новые функции. «Иногда они могут фактически контролировать активность гена, с которого были скопированы», — сказал Читэм, — если их РНК достаточно похожа на РНК работающего гена, чтобы взаимодействовать с ним. Сису отмечает, что открытие в 2010 году того факта, что псевдоген PTENP1 обрел вторую жизнь в качестве РНК, регулирующей рост опухолей, убедило многих исследователей более внимательно изучить псевдогенный мусор.
Поскольку динамические некодирующие последовательности могут вызывать множество геномных изменений, они могут быть как двигателем эволюции новых генов, так и исходным материалом для неё. Исследователи обнаружили пример этого в гене ERVW-1, который кодирует белок, необходимый для развития плаценты у обезьян Старого Света, человекообразных обезьян и человека. Этот ген возник в результате ретровирусной инфекции у предкового примата около 25 миллионов лет назад, попав в геном животного вместе с ретротранспозоном. Ретротранспозон «по сути, присвоил этот элемент, перемещаясь по геному, и фактически превратил его в нечто действительно важное для развития человека», — сказал Читэм.
Но какая часть этой ДНК, следовательно, может считаться настоящим «мусором» в том смысле, что она не выполняет никакой полезной функции для клетки? Этот вопрос является предметом жарких споров. В 2012 году исследовательский проект «Энциклопедия элементов ДНК» (Encode) объявил о своих выводах, согласно которым около 80% генома человека, по-видимому, транскрибируется или иным образом биохимически активна и, следовательно, может быть функциональной. Однако этот вывод был широко оспорен учеными, которые указали на то, что ДНК может транскрибироваться по многим причинам, не имеющим ничего общего с биологической полезностью.
Александр Палаццо из Университета Торонто и Т. Райан Грегори из Университета Гвельфа описали несколько линий доказательств — включая эволюционные соображения и размер генома — которые убедительно свидетельствуют о том, что «эукариотические геномы заполнены мусорной ДНК, которая транскрибируется на низком уровне». Дэн Граур из Университета Хьюстона утверждал, что из-за мутаций менее четверти человеческого генома может иметь эволюционно сохранившуюся функцию. Эти идеи по-прежнему согласуются с данными о том, что «эгоистичная» деятельность транспозонов, например, может иметь последствия для эволюции их хозяев .
Читэм считает, что догма о «мусорной ДНК» затормозила исследование вопроса о том, какая её часть заслуживает такого описания . «По сути, это отбило у людей желание даже выяснять, есть ли у неё какая-либо функция или нет», — сказал он. С другой стороны, благодаря усовершенствованному секвенированию и другим методам, «мы живём в золотой век понимания некодирующей ДНК и некодирующей РНК», — сказал Чжаолей Чжан, генетик из Университета Торонто, изучающий роль этих последовательностей в некоторых заболеваниях.
В будущем исследователи, возможно, будут все меньше склонны называть какие-либо некодирующие последовательности «мусором», поскольку сейчас существует множество других, более точных способов их обозначения. По мнению Сису, лучший путь развития этой области — сохранять непредвзятость при оценке особенностей некодирующих ДНК и РНК и их биологической значимости. Люди должны «сделать шаг назад и понять, что для одного мусор — это для другого сокровище», — сказала она.
Источник: www.quantamagazine.org
