Как построить новый ген?

The article is written by Pavlo Chaika, the chief editor of the "Piznavayka" magazine. Since its founding in 2013, Pavlo Chaika has been dedicated to popularizing science in the world. The main goal, both of the magazine and of this article, is to explain complex scientific topics in a simple and accessible language.

В каждой науке есть некоторые общепризнанные положения, без которых она не в состоянии обойтись. До поры до времени они кажутся незыблемыми. Однако иногда экспериментальный материал, кстати, собранный именно благодаря существованию таких постулатов, в чем-то начинает им настолько противоречить, что это может привести и к пересмотру самих постулатов. Так аксиомы «первого порядка» начинают уступать место следующим, быть может, не опровергающим их, но вносящим достаточно значимые изменения.

В молекулярной биологии было два положения, казавшихся незыблемыми. Во-первых, предполагалось, что код наследственности записывается только на ДНК, а с нее переносится на РНК, по которой делается белок. Во-вторых, исследователи были уверены в высокой стабильности генетического аппарата.

Несколько лет назад подвергли сомнению первую аксиому: был найден фермент, ведущий по РНК синтез ДНК. Таким образом, выяснилось, что наследственная информация может храниться не только на матрице ДНК. Несколько позже исследователи усомнились и в высокой стабильности генетического аппарата. Оказалось, что отдельные части ДНК могли странствовать в геноме, меняя свои места в молекуле ДНК. Так были открыты «прыгающие гены», которые сегодня могут находиться на одном конце нити ДНК, а завтра — на другом. Вот лишь некоторые из событий, приведшие к пересмотру основных постулатов в молекулярной биологии.

Но если они в какой-то степени были теоретически предсказаны учеными, то событие, происшедшее недавно, оказалось совершенно неожиданным.

Гены оказались разорванными, выяснилось, что у многих живых организмов блок наследственности состоит из значащих (кодирующих определенную часть белка) и незначащих (пустых) отрезков. Если ген сравнить с фразой, то значащие участки — слова, а незначащие—паузы. Почему же ген имеет такую сложную конструкцию? Ведь намного проще было бы записать шифр белка на монолитном гене…

Вполне вероятно, считают некоторые исследователи, что именно благодаря разорванности гена появилось все многообразие форм жизни на нашей планете. Иными словами, разорванные гены способствуют ускорению эволюции живых систем. Но обо всем по порядку…

Обычно информация переносится с части ДНК гена на РНК, а та поступает в рибосому, производящую белок. Каким же образом синтезируются целые молекулы РНК и белка на «разорванных» генах? Сейчас уже можно сказать, что тайна этого преобразования разгадана.

На рисунке изображен процесс передачи информации от разорванного гена к белку. Смысловые участки гена было предложено называть экзонами, а те части гена, которые являются «бессмысленными» и не содержат информацию о структуре мРНК, — интронами. Сначала на гене синтезируется высокомолекулярный предшественник мРНК. А затем из него вырезаются участки, синтезированные на интронах, а участки, синтезированные на экзонах, сшиваются между собой и рождают уже новую молекулу мРНК. В морской терминологии есть слово «сплеснивать», которое обозначает процесс сращивания двух тросов после удаления лишнего внутреннего участка. По аналогии с этим процесс образования РНК из «обрывков» назвали сплайсингом (английский эквивалент слова «сплеснивание»). По существу с открытием новой организации гена исследователи выявили два принципа в организации биологической информации: избыточность и прерывистость.

Количество избыточной информации может быть крайне велико. ДНК дрозофилы имеет такой размер, который позволяет ей кодировать около 100 000 различных белков, однако лишь около 5 000 белков производится клеткам. Таким образом, проявляется лишь одна двадцатая часть информации.

Даже в конечном продукте — белке — имеется некоторый резерв информации. Так, удаление ряда аминокислотных последовательностей из молекулы белка часто не сказывается на его функции. Избыточность — один из факторов, обеспечивающих безошибочный (помехозащищенный) перенос информации. Избыточность информации, содержащейся в ДНК, рассматривают обычно как резерв генетической изменчивости, благодаря которой эволюционируют живые системы.

Довольно широко использует ДНК и принцип прерывистости. Гены, кодирующие структуру различных белков, расположены в ДНК дискретно, и молекулы мРНК, как правило, несут информацию только об одном виде белка.

Значение этих принципов в целом можно проиллюстрировать простым примером. Речь воспринималась бы нами значительно хуже, а порой и вообще не воспринималась, если бы диктор читал текст без пауз и остановок (прерывистость), без некоторых несущественных на первый взгляд вводных слов, предложений и объяснений (избыточность).

Однако необходимость «пауз» в таком небольшом тексте ДНК, как ген, пока совершенно не ясна. Сразу же после обнаружения прерывистости внутри генов появилось немало гипотез, пытающихся объяснить назначение такой сложной организации генома, и преимуществ, которые из нее вытекают. Наиболее вероятно предположение о том, что прерывистые гены ускоряют эволюцию высших организмов.

Каким же образом «мозаичный» том способствует эволюционному процессу лучше монолитного? Это хорошо видно на примере белков. Ведь белки часто строятся из своеобразных блоков. В качестве примера такого блочного строения обычно приводят молекулы иммуноглобулинов, которые состоят из двух равных по величине половин, называемых вариабельной половиной и постоянной половиной. Вариабельная часть в разных иммуноглобулинах различна, а постоянная часть — одинакова. (Преимущество блочного строения белков подобно преимуществам хорошо известного в технике метода конструирования различных механизмов из небольшого числа универсальных блоков.)

Поэтому можно представить, что появление белков с новыми свойствами происходит не только в результате длительного накопления небольших (точечных) мутаций в геноме, как считалось ранее, но и значительно более быстрым и удобным путем — перестановкой отдельных генетических блоков, экзонов. Словом, новые гены в процессе эволюции могли создаваться словно слова из букв «экзонного алфавита». Причем вариации сочетаний таких букв могут быть бесконечными. Это и определит необходимое разнообразие белков.

Перетасовка экзонов в ДНК может происходить путем уже хорошо известного процесса «обмена» отдельными кусками наследственного материала между хромосомами. Так недавно были открыты «прыгающие» гены. В результате таких «прыжков» экзоны и могут перераспределяться в геноме.

Можно представить себе, что точечные мутации также могут приводить к быстрому появлению новых белков, но только если они происходят на границе между экзоном и интроном. Это возможно в том случае, если часть прежде «бессмысленного» — разделительного отрезка после точечной мутации окажется включенной в состав значащего отрезка ДНК.

Механизм, обеспечивающий создание новых генов из «букв» экзонов, мог использоваться для ускорения эволюции на двух этапах. Во-первых, на ранних этапах развития, когда некий первоначально возникший геном эволюционировал в сторону увеличения разнообразия форм на уровне одной клетки. Во-вторых, уже во время клеточной эволюции, когда уже развивались многоклеточные организмы.

У высших организмов (эукариот) разорваны не все гены, а, видимо, только те, которые работают в специализированных клетках. У бактерий подобного явления вообще не обнаружено, но оно характерно для вирусов, способных жить в ядрах клеток эукариот. То есть в ходе эволюции вирусы приспособились к тем механизмам, которые свойственны генам клеток-хозяев. Учитывая, что генетический код и механизмы биосинтеза белка у эукариот и простейших безъядерных организмов (прокариот) подобны, можно себе представить, что в эволюции они возникли от одного общего предка, имевшего какие-то элементарные «начальные» гены.

Затем развитие шло двумя независимыми путями. Прокариоты предпочли компактизацию информации в ДНК; так, у низших организмов один и тот же участок ДНК, прочитанный с разных точек, может, например, кодировать разные белки. Эукариоты (высшие) решили эту задачу иначе. Они первоначально эволюционировали в сторону увеличения количества элементарных генов (то есть была создана некоторая избыточность генетического материала), а затем, комбинируя элементарные гены, быстро создавали различные их сочетания, полезные для организма. Так из определенного числа букв складываются различные слова. С этих позиций современные экзоны в генах эукариот — это то, во что превратились в ходе эволюции начальные элементарные гены — «буквы». Весьма вероятно, что разорванные гены не появились в результате внедрения нитронов — «пауз» в когда-то монолитные гены, а изначала строились из отдельных блоков. Такая точка зрения, естественно, отрицает возможность происхождения эукариот из организмов, подобных современным прокариотам.

Несмотря на то, что интроны несут на первый взгляд «бессмысленную» информацию, они не исчезают в эволюции и сохраняют свое строение. Например, нитроны в двух отличающихся генах мыши, возникших 15—30 миллионов лет назад в результате удвоения одного гена, оказались подобными как по положению, так и по размерам.

Высказанные выше соображения являются в значительной мере умозрительными. Они возникли под влиянием новых данных о тонкой структуре генетического аппарата и не получили еще достаточного экспериментального подтверждения. В гипотезе блочного строительства генома есть и слабые места. Так, не следует забывать, что значительная часть генов у высших организмов все-таки не содержит нитроны. Следовательно, эти гены построены не по «блочному» принципу. Вместе с тем не видно никакой эволюционной «отсталости» неразорванных — «целых» генов по сравнению с разорванными.

На сегодняшний день в молекулярной биологии сложилась парадоксальная ситуация. Раньше казалось, что исследователи близки к решению проблемы гена. Но после того, как они получили более детальную информацию о структуре генов, проблему необходимо рассматривать с качественно новых позиций. Однако сложившаяся ситуация во многом характерна: ведь путь науки часто лежит через ниспровержение аксиом — «от ложного знания к истинному незнанию».

Автор: В. Тарантул.