Такие различия в количестве «мусорной ДНК» объясняют застарелый эволюционный парадокс. Тема о количестве мусора в нашей ДНК – одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии. В целом считается, что сравнительно сложные организмы должны обладать более крупными геномами, чем относительно примитивные, поскольку первым требуется закодировать больше информации, чем вторым. Действительно, существует корреляция между размером генома и уровнем сложности существа; геном дрожжей больше, чем геном E. coli, но меньше, чем наш. Однако степень таких корреляционных связей очень слабая.
Лук одержал верх: геном луковицы в шесть раз больше, чем геном несущего его человека
Логично было бы предположить, что естественный отбор должен поддерживать максимальную компактность генома. Судите сами: при каждом акте деления клетка должна реплицировать всю свою ДНК; чем больше приходится копировать, тем шире поле для ошибок, тем более энергоемок и длителен процесс репликации. Задача кажется непростой для амебы (или саламандры, или двоякодышащей рыбы). Так почему же ДНК у этих видов так неимоверно разрослась? Имея дело с необычно длинными геномами, можно лишь логически заключить, что какие-то другие факторы отбора должны были нивелировать стимулы к поддержанию компактности генома. Например, крупный геном может быть предпочтителен для видов, обитающих в экстремальной среде. Двоякодышащая рыба живет на стыке воды и суши и может выдерживать длительные засушливые периоды, закапываясь в ил. Возможно, для такого образа жизни требуется более объемная генетическая «матрица», чем для жизни всего в одной экологической среде.
Избыток ДНК обусловлен двумя основными эволюционными механизмами: удвоение генома и пролиферация конкретных последовательностей в геноме. Многие виды, особенно из царства растений, – потомки скрещивания более древних видов. Новый вид зачастую просто объединяет ДНК двух предковых видов и приобретает геном двойного размера. Однако возможны и такие генетические случайности, из-за которых геном может удвоиться и без участия другого вида. Например, один из «старожилов» молекулярной биологии – пекарские дрожжи – содержит примерно 6000 генов. Но, если внимательно присмотреться к этому геному, можно увидеть, что многие гены у дрожжей дублируются: у каждой «особи» ряд генов имеются в парных «разошедшихся» вариантах. Очевидно, на каком-то раннем этапе эволюционного развития дрожжей их геном удвоился. Изначально копии генов были идентичны, но со временем сходство было утрачено.
Еще более благодатным источником избыточной ДНК оказалось приумножение тех генетических последовательностей, которые могут внезапно менять расположение в геноме или плодить многочисленные копии – это так называемые прыгающие гены, мобильные элементы (транспозоны).
Когда Барбара Мак-Клинток впервые объявила об этом открытии в 1950 году, сама идея о мобильных генетических элементах большинству ученых, привыкших к логике Менделя, казалась невероятной. Мак-Клинток была выдающимся специалистом по генетике кукурузы, но ее путь в науке складывался очень непросто. Когда в 1941 году стало понятно, что постоянный контракт в Университете Миссури ей получить не удастся, она прибыла в лабораторию Колд-Спринг-Харбор, где продолжала активно работать до самой смерти в 1992 году в возрасте девяноста лет. Однажды Мак-Клинток сказала коллеге: «Просто поверь в то, что видишь». Именно так она и занималась наукой. Революционную идею, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность, она вывела из простых эмпирических фактов. Изучая генетические механизмы, обусловливающие появление мозаицизма у кукурузы, она заметила, что иногда в процессе развития зерна его цвет меняется. Некоторые зернышки в процессе созревания могли стать пестрыми, например с фиолетовыми пятнышками на желтом фоне. Как объяснить такое внезапное изменение цвета? Мак-Клинток сделала вывод, что некий (мобильный) генетический элемент то внедряется в пигментный ген, то покидает его.
Барбара Мак-Клинток, первооткрывательница мобильных генетических элементов
Только после появления технологий по работе с рекомбинантной ДНК удалось оценить, насколько распространены мобильные генетические элементы; оказалось – это важнейшие компоненты большинства (если не всех) геномов, в том числе нашего. Некоторые наиболее распространенные мобильные элементы – те, что снова и снова обнаруживаются в различных сайтах одного и того же генома, – получили названия, отражающие их кочевую природу. Так, среди десятков мобильных элементов в геноме дрозофилы есть gypsy («цыган»), hobo («бродяга»), looper1 («пяденица») и, что предсказуемо, McClintock. А те, кто изучает простейшее растение вольвокс, нашли у этого организма элемент, крайне активно «прыгающий» по всему геному; его назвали Jordan в честь знаменитого баскетболиста.
В мобильных генетических элементах содержатся последовательности ДНК, кодирующие ферменты, например фермент транспозазу, необходимый для перемещения контролирующих элементов, которые способны «вырезать» и «вставлять» хромосомную ДНК. Благодаря этим ферментам материал «прыгающего» гена оказывается на новых участках хромосом. Если в результате очередного переноса мобильный генетический элемент окажется в мусорной последовательности, на жизнедеятельность организма это не повлияет – просто увеличится количество мусорной ДНК. Если же мобильный генетический элемент окажется в жизненно важном гене и выключит его, то вмешаются факторы естественного отбора: организм может погибнуть или каким-то иным образом лишиться возможности передать видоизмененный ген потомкам. Перемещения мобильных элементов могут как способствовать появлению новых генов, так и видоизменять имеющиеся таким образом, что это оказывается на пользу хозяину. Следовательно, в процессе эволюции мобильные элементы преимущественно способствовали обновлению генома. Любопытно, что в новейшей истории человечества почти не встречается следов активных геномных перемещений; из чего я могу предположить, что наша мусорная ДНК, по-видимому, сформировалась очень давно. Напротив, в геноме мыши есть много активно повторно внедряющихся мобильных элементов – соответственно, геном мыши гораздо динамичнее человеческого. По-видимому, мышам такая активность генов ничуть не мешает; мыши – животные с высоким репродуктивным потенциалом – легко переносят генетические «аварии», связанные с частым попаданием мобильных элементов в жизненно важные регионы генома.
Поскольку большинство основных фактов о работе ДНК были выяснены на материале бактерии E. coli, то можно утверждать, что она обладает беспрецедентным послужным списком в качестве подопытного микроорганизма. Неудивительно, что секвенирование именно генома E. coli было одной из приоритетных задач на ранних этапах проекта «Геном человека». Активнее всех рвался приступить к этой работе Фред Блатнер из Висконсинского университета. Однако выиграть грант ему не удавалось до тех пор, пока не началось реальное финансирование проекта «Геном человека», и тогда ему, заметьте, одному из первых, одобрили грантовую поддержку на проведение секвенирования. Если бы на начальном этапе Блатнер не противился автоматическому секвенированию, то именно в его лаборатории впервые был бы полностью отсеквенирован бактериальный геном. В 1991 году он всеми возможными способами пытался увеличить скорость проведения исследования – увы, он делал это по старинке, за счет подключения к работе большого числа старшекурсников. С автоматизацией опоздал и Уолли Гилберт, которого я за два года до этого уговаривал заняться секвенированием мельчайшего из известных бактериальных геномов – генома внутриклеточного микроорганизма микоплазмы. К сожалению, стратегия секвенирования вручную не получила широкого распространения среди исследователей, и изучение генома Mycoplasma на тот момент времени «приказало долго жить». Однако Блатнер все-таки вовремя одумался и стал активно использовать методы автоматического секвенирования. Результатом его работы стало определение в 1997 году генома E. coli. Было показано, что геном этой бактерии содержит около 4000 генов.
