Читая между строк ДНК. Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем - Шпорк Петер
До этого момента ученые не затруднялись с ответом: во-первых, говорили они, у живых организмов разное количество мусорной ДНК. Во-вторых, гены внутри наследственного материала могут повторяться несколько раз. И то и другое иногда значительно увеличивает геном организма, не повышая его сложности.
Исходя из этого, молекулярные биологи сформулировали новый тезис: сложность организма зависит прежде всего от числа различных генов, которые, подобно островкам, рассеяны в океане бесполезного генома. Редко целое научное сообщество заблуждалось настолько сильно.
В 2000 году с помощью изощренных компьютерных программ специалисты по молекулярной биологии и биоинформатике обнаружили в гигантском тексте ДНК уже несколько тысяч человеческих генов, однако приверженцы «генного угара» начали догадываться, что поддающихся счету единиц будет, пожалуй, гораздо меньше, чем они предполагали.
Всегда считалось, что у человека около ста тысяч различных генов. Это приблизительно вчетверо больше, чем, например, у резуховидки Таля, что прекрасно объясняло, почему мы намного сложнее маленького растения. Однако после интерпретации первых полностью расшифрованных хромосом ученые призадумались. Там обнаружилось так мало осмысленных отрезков, разбросанных среди кажущего бессмысленным общего текста, что многие пересмотрели оценку общего размера генома в сторону уменьшения.
Итак, в Колд-Спринг-Харбор царила растерянность. А поскольку ученые-естественники всегда немного игроки, британскому генетику Эвану Берни приходит в голову великолепная идея. Он предлагает участникам симпозиума поучаствовать в «генном тотализаторе». Каждый должен оценить, сколько различных генов будет однажды определено в наследственном материале человека. Затем игроки могут поставить до 20 долларов США и зафиксировать свои ставки в записной книжке Берни. В 2003 году все деньги достанутся тому, чья цифра окажется ближе всего к результату.
Цифры из записной книжки Эвана Берни лучше, чем что-либо иное, иллюстрируют тогдашнее неведение генетиков: оценки коллег колеблются между 27 и 160 тысячами генов. В среднем ученые рассчитывали на пятьдесят тысяч. Даже эксперты, участники этой конференции, не имели ни малейшего представления о количестве человеческих генов. И это несмотря на то, что именно они мало-помалу выявляли их в длительном процессе расшифровки генома и что на тот момент вряд ли нашелся бы человек, который смог бы угадать ответ точнее, чем сами генетики.
Но худшее еще впереди. В последующие годы после каждого нового анализа генома ученым приходилось корректировать свою оценку в сторону уменьшения. Уже в 2003 году стало ясно, что у нас не более тридцати тысяч генов. Трое ученых, прогноз которых в генном тотализаторе был ниже этой цифры, поделили между собой сумму выигрыша, составившую ни много ни мало 1200 долларов.
Но даже эти сверхпессимисты оказались слишком большими оптимистами. Сегодня ученые исходят из того, что мы располагаем 22 тысячами генов. А к моменту выхода этой книги число генов, наверное, уменьшится и составит двадцать или, как многие теперь считают, восемнадцать тысяч.
Участки ДНК, которым ученые первоначально приписывали какой-то смысл, при ближайшем рассмотрении все чаще оказываются псевдогенами. Они выглядят как настоящие гены, но не содержат «монтажных схем» для какого-либо белка. Многие из них — реликты, «заброшенные» в ДНК миллионы лет назад вирусом, который вызывал какую-то болезнь, и существуют с тех пор в виде бесполезного генообразного фрагмента. Подобные остатки раздувают генетический материал многих растений до невероятных размеров, поскольку представители флоры не так устойчивы к вирусам, как животные.
Даже у людей генный текст — многие называют его «истинной наследственной информацией» — составляет какие-то жалкие полтора процента от общего объема генетического материала. В остатке кроется, вероятно, еще немало тайн.
Если сравнить гены модельных организмов, геном которых на сегодняшний день расшифрован, в любом случае станет ясно: количество различных генов не объясняет парадокс показателя С. У круглого червя специалисты различают двадцать тысяч генов, у дрозофилы — четырнадцать, а у резуховидки Таля — все двадцать пять тысяч. Рекордсменами остаются зерновые с их 60 тысячами различных генов.
Почему человек и шимпанзе такие разные
Как это возможно? У человека, самозваного венца творения, поразительно сложно устроенного существа, располагающего 200 видами клеток, десятками органов, состоящего из миллиардов клеток, способного жить до 120 лет и владеющего самым сложным мозгом во Вселенной, — у этого самого человека меньше генов, чем у сорняка, и немногим больше, чем у миллиметрового круглого червя Caenorhabditis elegans. Последний состоит ровно из 959 почти одинаковых клеток и живет не больше двух недель.
Где, если не в генах, кроется наша неповторимость? Из чего-то же должна проистекать разница между червем и человеком? Постепенно ученые находят первые ответы на эти вопросы и возвращают нам самоуважение. Один из самых важных ответов пришел из эпигенетики.
Во-первых, благодаря некоторым приемам клетки высших организмов способны синтезировать несколько различных белков на основании «монтажной схемы» одного гена. Естественно, это увеличивает их сложность. Во-вторых, своими особенностями они обязаны чрезвычайно высокой интеграции бесчисленных генетических систем регулирования. Решение о том, какой белок синтезировать — а также когда, в каком количестве, в какой форме и вместе с какими другими белками, — принимается в рамках очень сложных сетей. И эти сети могут производить множество различных моделей активации гена.
Но, поскольку ни один белок не выполняет какую-то единственную изолированную функцию, а всегда работает в связке с другими белками, меняющиеся модели активации гена в разные моменты времени на основании одного и того же генома формируют совершенно разные общие состояния клетки. Следовательно, чем больше потенциальное множество таких моделей, тем сложнее живое существо. Благодаря этому у человеческой клетки, даже несмотря на ограниченное число генов, может быть значительно больше свойств, чем, например, у клетки червя.
Итак, решающее слово остается за генной регуляцией: чем она сложнее, тем сложнее соответствующий организм. Путь от оплодотворенной яйцеклетки к законченному взрослому половозрелому организму также определяется меняющимися моделями активации гена. В процессе этого биологического развития модели изменяются систематически и по плану, заранее составленному на часы, недели и годы. Чем более многоуровневым, долговременным и выверенным будет это развитие, тем сложнее будет живое существо, совершенно независимо от числа своих генов.
Следовательно, биохимические системы, руководящие работой отдельных генов и их групп, имеют по крайней мере такое же значение, как и сам генный текст, — и в особенности у людей. Одна из важнейших биохимических систем — эпигенетические переключатели.
Сегодня специалисты отводят особо устойчивому второму коду выдающуюся роль в системе генной регуляции. «Похоже, эпигенетические механизмы действительно отвечают за большую часть свойств сложных организмов», — говорит Гари Фельзенфельд, известный эпигенетик из Национального института здравоохранения (Бетесда, США).
После недавних открытий исчезла надежда на быстрые успехи в биомедицине. Генетика стала слишком сложной для этого. Зато радует, что можно наконец объяснить некоторые загадочные феномены. Так, удалось наконец ответить на вопрос, почему человек, несмотря на сравнительно небольшое число генов, столь высокоорганизованное существо. У него более сложные генная регуляция и развитие, чем у большинства других организмов. Прежде всего мозгу человека дается больше времени на обучение, чем другим живым существам.
Гораздо более объяснимой, чем раньше, стала сегодня и причина многообразия человеческих типов: с генетической точки зрения все люди практически одинаковы, однако мельчайшие различия могут ощутимо повлиять на генную регуляцию и привести к значительным вариациям. «Анализируя активность генов, мы находим гораздо больше различий между индивидуумами, чем можно было бы предположить, исходя из простого анализа генов», — признается Йорн Вальтер, профессор генетики Саарландского университета (г. Саарбрюккен) и один из ведущих немецких эпигенетиков.
