- Вирізати і вставити
- Наш експерт, Володимир Олексійович Гвоздьов, завідувач Відділом молекулярної генетики клітини Інституту...
- Дикі і домашні
Коли в 2000 році в ході одного з найамбітніших наукових проектів було розшифровано близько 90% генома людини, багатьом вченим здалося, що тепер всі таємниці нашого організму будуть остаточно розгадані. Але дуже скоро запаморочення від успіхів змінилося великим здивуванням. Як виявилося, майже повна розшифровка генома не тільки не допомогла генетикам відповісти на старі питання, що накопичилися на той час, але і додала безліч нових.
Англійська генетик Джон Бердон Холдейн якось дотепно зауважив: «Світ не просто дивніше, ніж ми собі уявляємо, - він більш дивно, ніж ми можемо собі уявити». Що б ви подумали про людину, яка б раптом заявив, що всередині наших клітин деякі ділянки геному стрибають по спіралі ДНК, немов блохи на комірці бродяги? Що у нього надто розігралася фантазія?
Чимало подібних критичних зауважень довелося вислухати американському вченому-генетику Барбарі МакКлінток, яка першою оголосила науковому співтовариству про існування рухомих генів. В кінці 1940-х, вивчаючи геном кукурудзи, вона виявила, що на активність генів можуть діяти якісь невідомі елементи, здатні, за її припущенням, переміщатися по ДНК. Ця нова гіпотеза була настільки революційною, що колеги-генетики зустріли її, за спогадами самої МакКлінток, повним нерозумінням і «кам'яним мовчанням».
Загадковий геном Екзон - ділянку гена, що несе інформацію про будову білка. pG-острівці - ділянки компактного розташування нуклеотидной пари цитозин-гуанін. Інтрон - частина гена, яка не містить інформації про амінокислотної послідовності. Сателіти - послідовності нуклеотидів, є дуже довгі (в кілька сотень тисяч пар нуклеотидів) ділянки ДНК з тандемно ( «голова до хвоста») повторюваними короткими блоками з 5-200 пар нуклеотидів. LTR-ретротранспозонов - мобільні ретроелементи з довгими кінцевими повторами (long terminal repeats). SINE - короткі перемежовуються ретроелементи (short interspersed elements). LINE - довгі перемежовуються ретроелементи (long interspersed elements).
Знадобилося майже чотири десятиліття, щоб її новаторські ідеї отримали повне визнання. Як влучно зауважив російський фізик, нобелівський лауреат В.Л. Гінзбург, вчений зобов'язаний бути довгожителем, якщо хоче дочекатися визнання своїх робіт. У 1983 році Нобелівський комітет вручив 80-річної МакКлінток премію з фізіології і медицини «за відкриття мобільних генетичних елементів». У своїй Нобелівської промови вона вимовила такі слова: «Геном є високочутливим органом клітини, який здатний в умовах стресу ініціювати власну реструктуризацію і оновлення». По-справжньому мобільні елементи геному (вони ж транспозони, або «стрибають гени») були відкриті через три десятиліття після їх теоретичного передбачення, в 1970-х. Спочатку П. Штарлінгер і Д. Шапіро виявили найпростіші мобільні елементи, названі инсерционно (вставними), у бактерій. Була встановлена їх здатність викликати мутації у найпростіших організмів. З'ясувалося, що таких инсерционно елементів в бактеріальному геномі може бути від декількох штук до декількох сотень. Наприклад, у дизентерійної бактерії Shigella dysenteriae на сьогодні відомо цілих 200 копій мобільних елементів. Вивчення рухомих генів бактерій має велике практичне значення, так як з ними безпосередньо пов'язана здатність бактерій купувати стійкість до антибіотиків.
Спадщина від вірусів На частку транспозони припадає близько 3% всієї послідовності людської ДНК. І виявлення нових рухомих генів цього класу триває. Так, кілька років тому російським генетиком Володимиром Капітоновим і його колегами були відкриті ще кілька видів мобільних елементів: Harbinger, Helitron і Polinton. Як з'ясувалося, вони мають велику схожість з деякими вірусами і з рухомими генами бактерій.
Після бактерій мобільні елементи були виявлені в складних організмах. У 1976 році група радянських генетиків, В.А. Гвоздьов і його колеги, змогли знайти їх у дрозофіли. Уже багато років по тому з'ясується, що ці елементи у плодових мушок в своєму роді унікальні. Вони виконують у них функції теломерази - ферменту, нарощує коротшає при кожному діленні клітини кінці ДНК (теломери). Також виявиться, що ці елементи мають велику схожість в будові з людськими ретровирусами, серед яких найвідоміший - вірус імунодефіциту людини (ВІЛ).
Тепер, після вивчення найпростіших організмів і дрозофіли, настала черга знайти «стрибають» гени у хребетних, в тому числі і у людини, що і було незабаром зроблено. Стало ясно, що мобільні елементи геному надзвичайно поширені в живій природі. В даний час вони виявили в усіх живих організмах, які тільки попалися під руку вченим - від бактерій до ссавців. У людини на їх частку припадає величезна частина послідовності ДНК - більше 40%.
Деякі з мобільних генів, немов домашні улюбленці, отримали від своїх першовідкривачів імена: Магеллан, Аттіла, Пенелопа, Турист, Чарлі, Спляча Красуня, Емігрант, Аврора (цей «колишній» - втратив рухливість - транспозон був відкритий російськими вченими і названий так на честь легендарного крейсера).
Вирізати і вставити
Сьогодні всі рухомі елементи генома у вищих організмів прийнято ділити на два великі класи: ДНК-транспозони (або просто транспозони) і ретротранспозонов. Такий поділ виникло через різні молекулярних механізмів, за допомогою яких ці елементи переміщаються по ДНК. У статті ми зможемо розглянути лише перший клас мобільних елементів.
Наш експерт, Володимир Олексійович Гвоздьов, завідувач Відділом молекулярної генетики клітини Інституту молекулярної генетики РАН, професор МДУ, академік РАН:
«Як завжди буває в експериментальній фундаментальній науці, відкриття з'являються несподівано, їх не можна запланувати - ставиться одне завдання, а в процесі спроб її вирішення виявляється щось зовсім нове і несподіване, тільки не треба проходити повз. Так, колись поставлена Г. П. Георгієва завдання дослідити принципи пристрою регуляторної зони генів у багатоклітинних тварин привела до відкриття елементів геному у плодової мушки - дрозофіли, чудового модельного об'єкта молекулярної генетики. А зовсім в інших роботах в цей же час, вже не на дрозофілі, було виявлено, що гени складаються з окремих шматочків, які кодують відрізки РНК, які потім зшиваються з утворенням повноцінної РНК, що кодує білок. Цього ніхто не міг передбачити, і це відкриття було удостоєне Нобелівської премії ».
ДНК-транспозони використовують для своїх переміщень механізм, який отримав в науковій літературі визначення cut and paste (вирізати і вставити). Після отримання певного сигналу ззовні відбувається активація гена, відповідального за синтез спеціального ферменту, транспозази. Цей ген знаходиться всередині транспозона, складаючи його найважливішу частину. Після цього транспозази, переміщаючись уздовж ДНК, знаходить на ній свій транспозон за спеціальними матюками (інвертованим повторам), що обмежує його по обидва боки. Знайдений транспозон акуратно вирізається транспозази і переміщається в інше місце, підготовлене для нього на ДНК, тобто вставляється в вирізану заздалегідь пролом.
Іноді транспозази, закодована в одному транспозони, переміщує і інші, схожі мобільні елементи, в тому числі ті, у яких власний ген транспозази пошкоджений. Виходить своєрідна взаємодопомога серед мобільних елементів (або, якщо хочете, паразитування одних на інших). Вражає дивовижна складність і узгодженість всіх цих процесів, як ніби ними керує якась невідома сила, немов хороший диригент оркестром. Треба визнати, що багато в цих внутрішніх процесах важко піддається розумінню дослідників - настільки вони чітко організовані, складні і скоординовані між собою.
І заключний етап: впроваджений транспозон зшивається з ДНК в новому місці. Місце, звідки транспозон «вистрибнув», піддається процесу репарації (відновлення цілісності ДНК). Або, якщо «стрибок» стався під час поділу клітини, в порожнє місце вставляється копія елемента, знята з сестринської молекули ДНК. У другому варіанті відбувається «розмноження» транспозона - в хромосомі стає на один мобільний елемент більше. Такі переміщення несуть потенційну небезпеку для клітини і всього організму.
Дикі і домашні
Сьогодні за приблизними підрахунками існує близько 100 генетичних патологій людини, які викликаються безпосередньо мобільними елементами. І цей список продовжує розширюватися. Також очевидно, що рухливі гени якимось чином пов'язані зі старінням - з віком виявляється посилення їх діяльності, викликане ослабленням репресивних механізмів.
Потенційну небезпеку мобільних елементів для живих організмів побічно підтверджує той факт, що у нас є відразу кілька способів придушення їх активності. Це перш за все метилювання рухомих генів, коли до ділянки ДНК, де вони розташовані, приєднується метильная група (один атом вуглецю і три атома водню - CH3). Метильную групу можна порівняти з «заглушкою»: після її приєднання до ДНК мобільні елементи не в змозі проявляти свою активність (докладніше про метилировании читайте в «ПМ» № 2'2015). Також в боротьбі з транспозонами живі організми активно використовують механізм РНК-сайленсінг - придушення експресії генів рухомих елементів за допомогою коротких одноланцюгових РНК. Цей механізм забезпечують так звані piwiРНК, дія яких була вперше виявлено в 2001 році в Інституті молекулярної генетики РАН академіком В.А. Гвоздьовим, А.А. Аравін і їх колегами.
Ctrl-C або Ctrl-X? Рухливі елементи генома діляться на два великі класи: ДНК-транспозони і ретротранспозонов. Перші використовують для пересування принцип «вирізати і вставити», а другі - «копіювати і вставити». 1. ДНК-транспозон більш-менш містить інформацію про будову ферменту транспозази. У процесі зчитування (транскрипції) формується молекула РНК, яка транспортується до цитоплазми і потрапляє в рибосому, де по її «інструкції» будується транспозази. Фермент повертається в ядро і, рухаючись вздовж ДНК, знаходить свій транспозон за спеціальними мітками - так званим подвійним повторам. Потім транспозон переноситься в підготовлену пролом цільової ДНК, а вихідна ДНК зшивається. 2. При транскрипції ретротранспозону вийшла РНК містить, крім копируемой послідовності генів, опис двох білків. Один з них займається упакуванням змістовної частини РНК в компактний рибонуклепротеіну. Другий виконує зворотну транскрипцію ретротранспозону - синтезує послідовність нуклеотидів нового ретротранспозону в цільової ДНК відповідно до заданої рибонуклепротеіну програмою.
Довгий час після відкриття вважалося, що від рухомих елементів можна очікувати лише неприємностей - наприклад, призводять до хвороб мутацій при встановленні транспозона в ген, що кодує білок або РНК або регулюючий їх роботу. Такої точки зору дотримувалися і першовідкривачі структури ДНК Д. Уотсон і Ф. Крик. Але в останні роки з'явилися дані, що транспозони можуть все-таки «одомашнювати» і перетворюватися з паразитів в корисні структури.
Вважається, що мобільні елементи з класу транспозони були активні в період ранньої еволюції багатоклітинних тварин, а у предка людини і мавп припинили свої переміщення по геному близько 40 млн років тому. У спадок від цих стародавніх транспозони людина теж отримав деякі робочі гени, в тому числі забезпечують роботу унікального механізму, за допомогою якого ми боремося з чужорідними вторгненнями в наш організм.
До цього механізму відносяться білки RAG - прямі нащадки мобільного ферменту транспозази з сімейства транспозони класу transib (елемент, відкритий відомим «мисливцем за транспозонами», російським генетиком Володимиром Капітоновим). Причому даний вид транспозони ідентифікований виключно в геномах безхребетних, які передали в процесі еволюції свій головний фермент хребетним, що дало нам можливість синтезувати білки RAG. Саме вони, подібно вмілому конструктору, збирають з різних структур гени антитіл, комбінуючи фрагменти ДНК в клітинах імунної системи - лімфоцитах.
Ймовірно, в процесі еволюції транспозони не раз виступали в ролі активних інструментів мутацій, ініціюючи своїми переміщеннями створення генетичного різноманіття. Сьогодні, після секвенування генома людини відомо близько 50 генів, що відбулися безпосередньо від транспозони. Так, поступово, в світлі накопичених даних, йде виключно негативна оцінка діяльності мобільних елементів. Навпаки, сьогодні багато вчених схильні розглядати їх як «генний резерв» організмів, який ті використовують для свого розвитку і протистояння стресам. Все, що сьогодні пов'язано з мобільними генетичними елементами, активно вивчається в багатьох лабораторіях в усьому світі, так як, окрім чисто наукового інтересу, має велике прикладне значення - рухливі гени виявилися тісно пов'язані з розвитком, старінням і багатьма патологіями.
Стаття «Ворог і помічник всередині нас: мобільні генетичні елементи» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2015 ).
Що б ви подумали про людину, яка б раптом заявив, що всередині наших клітин деякі ділянки геному стрибають по спіралі ДНК, немов блохи на комірці бродяги?Що у нього надто розігралася фантазія?
Ctrl-C або Ctrl-X?
