Як побудувати новий ген?

У кожній науці є деякі загальновизнані положення, без яких вона не в змозі обійтися. До пори до часу вони здаються непорушними. Однак іноді експериментальний матеріал, до речі, зібраний саме завдяки існуванню таких постулатів, в чомусь починає їм настільки суперечити, що це може привести і до перегляду самих постулатів. Так аксіоми “першого порядку” починають поступатися місцем наступним, що можливо, не спростовують їх, але вносять досить значущі зміни.

У молекулярній біології було два положення, що здавалися непорушними. По-перше, передбачалося, що код спадковості записується тільки на ДНК, а з неї переноситься на РНК, по якій робиться білок. По-друге, дослідники були впевнені у високій стабільності генетичного апарату.

Кілька років тому піддали сумніву першу аксіому: був знайдений фермент, що веде по РНК синтез ДНК. Таким чином, з’ясувалося, що спадкова інформація може зберігатися не тільки на матриці ДНК. Дещо пізніше дослідники засумнівалися і у високій стабільності генетичного апарату. Виявилося, що окремі частини ДНК могли мандрувати в геномі, змінюючи свої місця в молекулі ДНК. Так були відкриті «стрибаючі гени», які сьогодні можуть перебувати на одному кінці нитки ДНК, а завтра — на іншому. Ось лише деякі з подій, що призвели до перегляду основних постулатів в молекулярній біології.

Але якщо вони в якійсь мірі були теоретично передбачені вченими, то подія, що сталася недавно, виявилася абсолютно несподіваною.

Гени виявилися розірваними, з’ясувалося, що у багатьох живих організмів блок спадковості складається із значущих (що кодують певну частину білка) і незначущих (порожніх) відрізків. Якщо ген порівняти з фразою, то значущі ділянки — слова, а незначущі — паузи. Чому ж ген має таку складну конструкцію? Адже набагато простіше було б записати шифр білка на монолітному гені…

Цілком ймовірно, вважають деякі дослідники, що саме завдяки розірваності гена з’явилося все різноманіття форм життя на нашій планеті. Іншими словами, розірвані гени сприяють прискоренню еволюції живих систем. Але про все по порядку…

Зазвичай інформація переноситься з частини ДНК гена на РНК, а та надходить в рибосому, що виробляє білок. Яким же чином синтезуються цілі молекули РНК і білка на «розірваних» генах? Зараз вже можна сказати, що таємниця цього перетворення розгадана.

На малюнку зображений процес передачі інформації від розірваного гена до білка. Смислові ділянки гена було запропоновано називати екзонами, а ті частини гена, які є «безглуздими» і не містять інформацію про структуру мРНК, — інтронами. Спочатку на гені синтезується високомолекулярний попередник мРНК. А потім з нього вирізаються ділянки, синтезовані на інтронах, а ділянки, синтезовані на екзонах, зшиваються між собою і народжують вже нову молекулу мРНК. У морській термінології є слово «спліснювати», яке позначає процес зрощування двох тросів після видалення зайвої внутрішньої ділянки. За аналогією з цим процес утворення РНК з «обривків» назвали сплайсингом (англійський еквівалент слова «спліснювання»). По суті, з відкриттям нової організації генів, дослідники виявили два принципи в організації біологічної інформації: надмірність та переривчастість.

Кількість надлишкової інформації може бути вкрай велика. ДНК дрозофіли має такий розмір, який дозволяє їй кодувати близько 100 000 різних білків, проте лише близько 5 000 білків виробляється клітинами. Таким чином, виявляється лише одна двадцята частина інформації.

Навіть в кінцевому продукті – білку – є деякий резерв інформації. Так, видалення ряду амінокислотних послідовностей з молекули білка часто не позначається на його функції. Надмірність – один з факторів, що забезпечують безпомилкове (перешкодо-захищене) перенесення інформації. Надмірність інформації, що міститься в ДНК, розглядають зазвичай як резерв генетичної мінливості, завдяки якій еволюціонують живі системи.

Досить широко використовує ДНК і принцип переривчастості. Гени, що кодують структуру різних білків, розташовані в ДНК дискретно, і молекули мРНК, як правило, несуть інформацію тільки про один вид білка.

Значення цих принципів в цілому можна проілюструвати простим прикладом. Мова сприймалася б нами значно гірше, а часом і взагалі не сприймалася, якби диктор читав текст без пауз і зупинок (переривчастість), без деяких несуттєвих на перший погляд вступних слів, речень і пояснень (надмірність).

Однак необхідність “пауз” в такому невеликому тексті ДНК, як ген, поки абсолютно не ясна. Відразу ж після виявлення переривчастості всередині генів з’явилося чимало гіпотез, які намагаються пояснити призначення такої складної організації геному, і переваг, які з неї випливають. Найбільш ймовірно припущення про те, що переривчасті гени прискорюють еволюцію вищих організмів.

Яким же чином «мозаїчний» том сприяє еволюційному процесу краще монолітного? Це добре видно на прикладі білків. Адже білки часто будуються з своєрідних блоків. Як приклад такої блочної будови зазвичай наводять молекули імуноглобулінів, які складаються з двох рівних за величиною половин, званих варіабельною половиною і постійною половиною. Варіабельна частина в різних імуноглобулінах різна, а постійна частина — однакова. (Перевага блочної будови білків подібно перевагам добре відомого в техніці методу конструювання різних механізмів з невеликого числа універсальних блоків.)

Тому можна уявити, що поява білків з новими властивостями відбувається не тільки в результаті тривалого накопичення невеликих (точкових) мутацій в геномі, як вважалося раніше, але і значно більш швидким і зручним шляхом — перестановкою окремих генетичних блоків, екзонів. Словом, нові гени в процесі еволюції могли створюватися немов слова з букв «екзоного алфавіту». Причому варіації поєднань таких букв можуть бути нескінченними. Це і визначить необхідне різноманітність білків.

Перетасування екзонів в ДНК може відбуватися шляхом вже добре відомого процесу «обміну» окремими шматками спадкового матеріалу між хромосомами. Так недавно були відкриті «стрибаючі» гени. В результаті таких «стрибків» екзони і можуть перерозподілятися в геномі.

Можна уявити собі, що точкові мутації також можуть призводити до швидкої появи нових білків, але тільки якщо вони відбуваються на кордоні між екзоном та інтроном. Це можливо в тому випадку, якщо частина раніше «безглуздого» — розділового відрізка після точкової мутації виявиться включеною до складу значущого відрізка ДНК.

Механізм, що забезпечує створення нових генів з «букв» екзонів, міг використовуватися для прискорення еволюції на двох етапах. По-перше, на ранніх етапах розвитку, коли якийсь спочатку виниклий геном еволюціонував у бік збільшення різноманітності форм на рівні однієї клітини. По-друге, вже під час клітинної еволюції, коли вже розвивалися багатоклітинні організми.

У вищих організмів (еукаріот) розірвані не всі гени, а, мабуть, тільки ті, які працюють в спеціалізованих клітинах. У бактерій подібного явища взагалі не виявлено, але воно характерно для вірусів, здатних жити в ядрах клітин еукаріот. Тобто в ході еволюції віруси пристосувалися до тих механізмів, які властиві генам клітин-господарів. Враховуючи, що генетичний код і механізми біосинтезу білка у еукаріотів і найпростіших без’ядерних організмів (прокаріотів) подібні, можна собі уявити, що в еволюції вони виникли від одного спільного предка, що мав якісь елементарні «початкові» гени.

Потім розвиток йшов двома незалежними шляхами. Прокаріоти вважали за краще компактизацію інформації в ДНК; так, у нижчих організмів одна і та ж ділянка ДНК, прочитана з різних точок, може, наприклад, кодувати різні білки. Еукаріоти (вищі) вирішили це завдання інакше. Вони спочатку еволюціонували в бік збільшення кількості елементарних генів (тобто була створена деяка надмірність генетичного матеріалу), а потім, комбінуючи елементарні гени, швидко створювали різні їх поєднання, корисні для організму. Так з певного числа букв складаються різні слова. З цих позицій сучасні екзони в генах еукаріот – це те, на що перетворилися в ході еволюції початкові елементарні гени — «букви». Досить імовірно, що розірвані гени не з’явилися в результаті впровадження нітронів — «пауз» в колись монолітних генах, а спочатку будувалися з окремих блоків. Така точка зору, природно, заперечує можливість походження еукаріот з організмів, подібних сучасним прокаріотам.

Незважаючи на те, що інтрони несуть на перший погляд «безглузду» інформацію, вони не зникають в еволюції і зберігають свою будову. Наприклад, нітрони в двох різних генах миші, що виникли 15-30 мільйонів років тому в результаті подвоєння одного гена, виявилися подібними як за положенням, так і за розмірами.

Висловлені вище міркування є значною мірою умоглядними. Вони виникли під впливом нових даних про тонку структуру генетичного апарату і не отримали ще достатнього експериментального підтвердження. У гіпотезі блочного будівництва геному є і слабкі місця. Так, не слід забувати, що значна частина генів у вищих організмів все-таки не містить нітронів. Отже, ці гени побудовані не за «блоковим» принципом. Разом з тим не видно ніякої еволюційної «відсталості» нерозірваних — «цілих» генів в порівнянні з розірваними.

На сьогоднішній день в молекулярній біології склалася парадоксальна ситуація. Раніше здавалося, що дослідники близькі до вирішення проблеми гена. Але після того, як вони отримали більш детальну інформацію про структуру генів, проблему необхідно розглядати з якісно нових позицій. Однак ситуація, що склалася багато в чому характерна: адже шлях науки часто лежить через скидання аксіом — «від помилкового знання до істинного незнання».

Автор: В. Тарантул.