Забор со щелями
Просто удивительно: лишь 2% нашего генома кодирует белки. А что же остальные 98%? Эта часть генома обеспечивает нормальное функционирование 2% генов, кодирующих белок. Регуляторные, или некодирующие нкРНК происходят из этих 98% генов. Австралийский ученый Джон Маттик много лет подчеркивал значение данного рода нкРНК. На графике, приведенном в статье, опубликованной в Scientific American, он показал, как по мере повышения сложности организации живых организмов от бактерий, одноклеточных организмов, грибов, растений к позвоночным количество регуляторных РНК увеличивается от нуля до 98% суммарного количества РНК. Мы находимся на верхней планке этой шкалы. Почему у сложноорганизованных животных гораздо выше уровень нкРНК? Ответ на этот вопрос прост: это нужно для обеспечения более сложной организации живых существ.
Наша геномная ДНК кодирует в общей сложности 20 000 генов. И все же, как это ни странно, наш геном уступает геному бананов, в котором примерно 35 000 генов, а в геноме кукурузы 50 000 генов, равно как и в геноме пшеницы и тюльпанов. Что касается генома пшеницы, выделено три родственные хромосомы, как будто они являются результатом процедуры умножения. Хлеб, испеченный из муки, получаемой из пшеницы, у которой всего одна хромосома из трех, имеет горький привкус. Из такой муки сложнее выпекать хлебобулочные изделия. Возможно, гигантские геномы являются следствием длительной селекции и культивирования. Хотя из этого правила вполне могут быть исключения.
У полевого цветка резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) 28 000 генов – вероятно, никому не приходило в голову культивировать этот «бесполезный» сорняк. Поэтому его геном остался мелким. Затем следует червь C. elegans, имеющий 23 000 генов. С точки зрения числа генов человек находится не в верхней части диапазона. Таким образом, у нас с нашими 20 000 генов их меньше, чем у невзрачного цветка резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и у амебы.
У обезьян и мышей столько же генов, сколько у нас. Создается впечатление, что такое утверждение не имеет должных оснований. Число генов, безусловно, не коррелирует с уровнем интеллекта! Во время общественного обсуждения этой проблемы возник непростой вопрос: почему у человека так мало генов? У нас их не так уж и мало, просто они длиннее. У всех других видов живых существ гены короче. У человека самая длинная ДНК – в среднем 160 000 пар оснований из расчета на один ген. Таким образом, у тюльпанов, кукурузы и бананов генов больше, чем у нас, но эти гены короче и «менее информативны». У риса и кукурузы гены примерно на 1/10 и 1/5 короче по сравнению с нашим геном, состоящим из 10 000–50 000 пар оснований из расчета на один ген. Гены бактерий состоят примерно из 1400 пар оснований, а у многих вирусов самое маленькое число – около 1000 пар оснований из расчета на один ген. В контексте данной книги целесообразно помнить о небольшой численности вирусных геномов, поскольку существуют и исключения – гигантские вирусы (см. главу 6).
Есть странный факт: у скандинавской ели, самого древнего из известных на Земле деревьев, которому 9500 лет, геном в шесть раз больше нашего. Тем не менее у этого дерева число кодирующих генов столь же мало, как в геноме полевых цветов. Многие из его генов являются повторяющимися, но никаких инноваций не наблюдается. Неужели скучная жизнь длится дольше? Я пополню образцом этой ели свою коллекцию диковинных вещей.
У мух был описан довольно эффективный процесс очищения от ненужного генного материала, и ученые даже заговорили о механизме «наведения порядка» применительно к генам. Для очищения генов требуется энергия. Но что дешевле и экономичнее: хранить ненужную ДНК-информацию в геноме или удалить ее? Является ли хранящаяся информация равноценной тому, что часто называется «мусорной ДНК»? Это ДНК, полная неизвестных или потенциально бесполезных последовательностей? Удаление избыточной ДНК недостаточно изучено.
Если представить, что мне нужно срочно навести порядок в подвале дома, я все равно предпочту не выбрасывать все подряд, поскольку расходы на хранение этих вещей не слишком велики. Я знаю, что весь этот «хлам» может когда-нибудь понадобиться. Во время войны, когда ничего невозможно было достать, платья шили из занавесок. Вероятно, избыточные ДНК могут оказаться полезными в период дефицита и использоваться как резервные копии. Очистка была бы намного более трудоемкой.
Какую функцию в геноме человека призваны выполнять чрезвычайно крупные гены, если не хранение информации, кодирующей белок? А ответ такой: хранение регуляторной информации, управление, организация и комбинации генных участков для образования новых генов!
Большие гены полны интронов, чередующихся с экзонами, которые являются промежутками между экзонами. Выше мы использовали в качестве модели интронов и экзонов забор, состоящий из столбов и пустых промежутков между ними. Интроны экспрессируют регуляторную некодирующую, или нкРНК, которая предназначена не для кодирования белков, а для их регуляции. Гены человека состоят в среднем из семи экзонов/интронов, при этом интроны могут быть очень длинными, в сотни раз длиннее экзонов, что очень напоминает забор с большими пустыми промежутками между столбами (или открытые ворота).
А теперь мы подошли к важному моменту: экзоны могут комбинироваться путем сплайсинга, обусловливая сложную организацию, особенно из-за того, что наши гены самые крупные. Это делает человека более высокоорганизованным живым существом по сравнению со всеми другими.
Когда открыли ДНК, представлялось, что один ген кодирует один белок, и это воспринималось как само собой разумеющееся. Такое утверждение некорректно для нас, людей, чего нельзя сказать о вирусах, поскольку у вирусов нет интронов. Несмотря на это, они тоже способны к сплайсингу, но только за счет нового комбинирования участков экзонов – это опять-таки является одним из минималистичных и экономичных свойств вирусов. И все же вирусам тоже необходима регуляция генной экспрессии. С помощью электронной микроскопии был открыт сплайсинг в вирусах, при котором визуально определялось образование петлеобразных структур из участков вирусного генома. Благодаря сплайсингу становится возможным использование различных «рамок считывания» – принципа, действующего на всех уровнях от вирусов до нас.
У вирусов число некодирующих нкРНК минимально, почти равно нулю. У бактерий этот показатель составляет примерно 10% (в некоторых отчетах можно найти и 0%), у дрожжей – 30%, у C. elegans – 70%, у мух – 85%, а у мышей и человека – 98%. Можно выразить это иначе: у вирусов белок-кодирующая информация составляет практически 100%, а у человека – только 2%. Поэтому можно сказать, что наш геном регулируется другими 98%, соответствующими исполнительной и законодательной власти в политической системе. Совершенно верно, а определение «исполнительный» (executive) похоже на понятие «экзон» (exson). Означает ли это, что нами управляет очень рассудительная законодательная власть? Нет, все как в политике. В Швейцарии семь человек представляют исполнительную власть и 200 человек – законодательную власть / регуляторные органы. Похоже, наша генная регуляция осуществляется в пропорциях, сопоставимых с соотношением ветвей власти в самой демократичной стране мира, по крайней мере с точки зрения швейцарцев!
