Не только эукариотические, но и бактериальные клетки защищаются от слишком большого числа транспозонов. Со временем транспозоны должны быть инактивированы, а клеткам нужно аккумулировать инактивирующие мутации для обеспечения эффективных генетических приобретений. Следует отметить, что у клеток существуют механизмы защиты от транспозируемых элементов, поскольку слишком большое количество «прыжков» клетке вредит. «Прыжкам» противодействует сайленсинг (см. главу 9).
Кукуруза «госпожи Мендель»
Генетик Барбара Макклинток изучала кукурузные зерна и была удивлена разнообразием цветов зерен. Когда она анализировала цвет зерен индийской кукурузы, стало понятно, что полученные результаты не коррелируются с открытыми Грегором Менделем законами наследования генов. Она не могла найти этому объяснение. В результате в 1940-х гг. Макклинток открыла «прыгающие» гены – транспозоны. Она перевернула общепринятую в то время концепцию о стабильности нашего генного материала даже до того, как в 1953 г. была открыта двухцепочечная ДНК. Она стала открывателем нестабильности ДНК кукурузы и объяснила это действием «прыгающих» генов, которые повлияли на цвет. Уже в 1944–1945 гг. Макклинток наблюдала явление перемещения генов в клеточных хромосомах, что вызывает мутации и изменение цвета зерен индийской кукурузы. Когда в 1951 г. она докладывала о полученных ею результатах научному сообществу, то столкнулась не только с полным непониманием, но даже с враждебностью и неприятием. Полученные ею результаты были восприняты как ересь. Она опередила время на 50 лет.
В следующие 20 лет «прыгающие» гены или ДНК-транспозоны наблюдали везде, где только возможно, – в дрожжах, бактериях, во всех живых организмах – включая человека, хотя для этого были использованы более сложные процедуры. В наших геномах доминируют ретротранспозоны, в то время как ДНК-транспозоны в геноме человека очень давно оказались инактивированы.
Как это ни странно, но можно даже «видеть» «прыгающие» гены, но только если они воздействуют на гены окраски.
ДНК-транспозоны могут «прыгать» в непосредственной близости от генов окраски и менять их регуляцию, что Макклинток назвала «контроль генов». Другие же исследователи полагали, что изменение цвета обусловлено патогенами. Это тоже верно, вирус действительно вызвал тюльпаноманию (см. главу 8). «Прыжок» может произойти где угодно, но визуально можно выявить лишь изменения в регуляции генов окраски. Редко удается наблюдать невооруженным глазом столь сложные механизмы. Нужно быть таким человеком, как Барбара Макклинток, чтобы понять этот механизм или хотя бы частично в нем разобраться, поскольку он до сих пор полностью не изучен. В 2015 г. на конференциях неоднократно показывали фотографию Макклинток.
Барбара Макклинток открыла эпигенетику – явление, выходящее за рамки генетики, поскольку генетические законы Менделя не объясняют цвет зерен кукурузы. За открытие «прыгающих» генов Макклинток можно было бы назвать «госпожа Мендель», настолько высоко мы должны оценить ее открытие. В настоящее время известно, что эпигенетика основана на химических модификациях ДНК и белков, упаковывающих ДНК, которые затем дерегулируют генную экспрессию. Этот эффект объясняется средовыми изменениями и, как правило, не наследуется. К настоящему времени известны два основных механизма, вызываемые химическими модификациями, такими как присоединение метильных групп к ДНК и изменения в белках гистонов (входящих в состав хроматина) путем ацетилирования. Метилирование промотора, провидчески названное Макклинток «контроль генов», выключает экспрессию гена.
Макклинток не поняли, но самое главное – ее не забыли. Она не получила первую Нобелевскую премию, но внесла весомый вклад в наше представление о контрольных участках в геноме не только кукурузы, но и бактерий. В 1965 г. двое коллег из Парижа – Франсуа Жакоб и Жак Моно были удостоены Нобелевской премии за открытие «модели оперона» в бактериях. Макклинток была по крайней мере их идейным вдохновителем.
Макклинток пришлось пережить горечь разочарования, когда ее научные работы были отвергнуты. Она перестала печататься. Обычно это означает конец карьеры – по крайней мере в науке. Но руководители лаборатории в Колд-Спринг-Харбор Фред Херши, а позднее Джим Уотсон заметили ее достижения и, возможно, предугадали значимость ее исследований. Макклинток получила постоянную лабораторию и работала в ней до конца жизни. Ее офис до самого потолка был завален бумагами. С посетителями лаборатории она была вполне дружелюбна, но не отличалась разговорчивостью. Посетителям приходилось постоянно задавать новые вопросы и поддерживать беседу, в противном случае разговор мог сойти на нет. Макклинток могла практически ничего не говорить, оставаясь при этом дружелюбной, но, когда посетители уходили, она вздыхала с облегчением. В 1983 г. Макклинток получила Нобелевскую премию за «открытие подвижных генетических элементов», открытие «прыгающих» генов. Исследователи начали осознавать значение полученных ею результатов применительно к вирусам и раковым клеткам. Она оказалась третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию, и одним из немногих лауреатов, кому не пришлось ее ни с кем делить – она была удостоена этой премии единолично.
На тот момент ей был 81 год. В интервью Макклинток отметила, что никогда не сидела вместе с кем-нибудь в машине. Она была очень нелюдимым человеком. А может быть, страдала аутизмом? Вскоре после того, как ей исполнилось 90 лет, она умерла. Макклинток жила в небольшом деревянном домике, сохранившемся с тех пор, когда китобои приезжали в Колд-Спринг-Харбор за питьевой водой. Над ее квартирой в Хупер Хаус располагалось несколько гостевых комнат для участников конференций, со спартанской обстановкой, как в монашеских кельях. Я любила там останавливаться, когда приезжала на симпозиумы. В этих небольших комнатах время как будто остановилось, замок в туалетной комнате был сломан, и постояльцам приходилось придерживать дверь ногой изнутри – и так десятилетиями! Обстановка комнат была очень простой. Из некоторых комнат можно было увидеть канадских гусей и залив с чередующими приливами и отливами. По утрам Макклинток проходила в толстых носках через лужайку. Так можно представить себе восхождение гения на Олимп или достижение паломниками святых мест. Интересно отметить, что Макклинток не удалось бы обнаружить «прыгающие» гены в геноме человека – их больше нет, по крайней мере это происходит не так, как с ДНК-транспозонами, «прыгающими» в геноме кукурузы. У растений самые подвижные геномы, а геном кукурузы с цветными зернами – идеальный тому пример. Геном кукурузы по-прежнему таит в себе много неожиданного, поскольку он способен в один миг лишиться трети или половины своих генов. Геном кукурузы такой же крупный, как и геном человека, и на 85% состоит из ДНК-транспозонов, в то время как в геноме человека на долю транспозонов приходится лишь 3%, и все они неактивны. Макклинток проанализировала механизм «вырезать и вставить» транспозонов не только в кукурузе, но и в бактериях при помощи фагов, когда ген быстро «перепрыгивает» туда-сюда из генома фага в геном бактерии, как шарик при игре в пинг-понг. Эти небольшие подвижные фаги называются Mu (мю), поскольку они мю-тируют геном своего хозяина. Использование Mu как более оперативной модели для изучения и понимания подвижных элементов было еще одной гениальной идеей Макклинток.
