Из грязи в князи, из геенны в гены

Представьте, что вас на улице остановил полицейский и строго спросил, что является движущей силой эволюции. Вы наверняка ответите, что естественный отбор, основа для которого – постоянное появление в ДНК новых мутаций. Полицейский, скорее всего, будет вполне удовлетворен таким ответом и отпустит вас на все четыре стороны. Но, придя домой, вы не сможете уснуть, вдруг задумавшись об эволюции в более глобальном масштабе. Как происходит усложнение организмов и укрупнение их геномов? Как появляются новые функции, откуда берутся новые фичи и баги и отвечающие за них гены?

Вот что бывает, когда не знаешь про движущую силу эволюции. Фото: РИА Новости, Алексей Даничев.

Господствующей теорией эволюции геномов (вполне доказанной благодаря удешевлению секвенирования ДНК и появлению большого массива данных о генах разных организмов, от бактерий до человека) является так называемая дупликация генома, то есть удвоение количества хромосом. В 1969 году японский генетик Масатоси Нэи подсчитал, что для того, чтобы увеличить геном кишечной палочки до размера генома человека, за три миллиарда лет должно было произойти около 10 дупликаций, то есть одна дупликация раз в триста миллионов лет. В то же время, если бы геномы увеличивались путем наращивания нуклеотидов, требовалось бы добавлять к молекуле ДНК по 7 нуклеотидов каждый год. Первое предположение звучит куда более правдоподобно.

Удвоение генома в клетке устроить очень просто – достаточно не позволить хромосомам разъехаться по новым клеточкам, когда клетка уже почти поделилась. Этот феномен, например, часто встречается у растений и называется полиплоидией. Удвоение генома предположительно дважды произошло на раннем этапе эволюции позвоночных. Дупликация генома же (или какого-то его участка, большого или маленького) является источником новых генов. Когда генетическая информация скопировалась, лишняя копия не поддерживается отбором в первозданном виде и может мутировать вволю. Иногда лишние копии ломаются или выбрасываются, а иногда из них получается что-то новое и полезное.

Такое «небрежное» обращение с генетической информацией, а также работа неутомимых мобильных элементов за миллионы лет привели к тому, что кодирующие последовательности, то есть собственно гены, составляют меньшую часть генома. К примеру, в геноме человека им отводится всего около 2% от всей ДНК. Остальное составляет так называемая мусорная ДНК. В последние годы благодаря усилиям ученых-биоинформатиков, занимающихся анализом последовательностей ДНК, стало ясно, что это никакой не мусор, а скорее «темная материя», скрывающая в себе множество сюрпризов – регуляторных элементов, некодирующих, но очень нужных РНК и даже новых генов!

Возникновение новых генов в эволюционной линии мыши. Пик примерно 800 млн назад соответствует времени, когда после глобального оледенения («Земля-снежок») ускорилась эволюция многоклеточных. В настоящее время тоже появляется много новых генов, большинство из которых будут впоследствии утрачены. Если бы гены возникали только путем дупликации, то большинство появилось бы вскоре после зарождения жизни, около 3,8 млрд лет назад (зеленая линия). Иллюстрация: Olena Shmahalo / Quanta Magazine / Tautz & Domazet-Lošo, 2011.

Первые догадки о том, что эволюция не ограничилась удвоением базового набора генов, появились одновременно с развитием технологий секвенирования ДНК. Проанализировав дрожжевой геном, ученые не смогли найти «родственников» для трети генов дрожжей. В то время это было объяснено недостаточным количеством данных о семействах генов. Однако за последнее десятилетие ДНК тысяч организмов была прочитана, а множество генов так и остались «сиротами». Их происхождение по-прежнему загадка.

В 2006 году ученые из Калифорнийского университета впервые показали, что гены действительно могут появляться «из ниоткуда». Они сравнили последовательности геномов плодовой мушки Drosophila melanogaster и близкородственных видов мушек. По большей части они оказались очень похожи, однако некоторые гены принадлежали только одному или двум видам, и их предков не удалось идентифицировать. Вместо этого ученые выдвинули предположение, что гены возникли из случайных последовательностей внутри некодирующей ДНК.

На первый взгляд превращение случайной последовательности ДНК в ген выглядит так же, как если бы вы высыпали буквы из мешочка на пол и они сложились бы в осмысленное предложение. Для того чтобы некодирующая ДНК превратилась в ген, внутри нее должны появиться сигналы, позволяющие клетке опознать ее и считать с нее РНК. Также необходимы регуляторные последовательности, определяющие, где и когда ген должен проявлять активность. Наконец, как и у предложения, у гена должны быть начало и конец – заглавная буква и точка. Кроме того, продукт, который получается в результате считывания генетической информации, – РНК или белок – должен быть полезен для клетки. Ведь куда вероятнее, что новый белок окажется токсичен, как белки, которые агрегируются в мозгах людей с болезнью Альцгеймера.

Ген Pldi назвали в честь немецкого футболиста Лукаса Подольски. С семенниками у него все в порядке. Фото: Mel Bles.

Другая проблема, возникшая в ходе доказательства гипотезы о происхождении генов из некодирующей ДНК, заключается в том, что ген, возникший таким образом, то есть de novo, бывает сложно отличить от гена, который настолько видоизменился, что потерял связь со своими предками. Именно поэтому раньше специалисты были настроены скептически относительно гипотезы появления кодирующих белки рамок «из хаоса». Впервые ученым удалось проследить за этим процессом на примере гена Pldi. Последовательность этого гена присутствует в геномах мышей, крыс и людей. Однако в двух последних случаях этот ген молчит. Транскрибируется, то есть превращается в РНК, этот ген только у мышей, причем, судя по всему, он выполняет важные функции. Мыши, у которых этот ген отсутствует, отличаются уменьшенными семенниками и менее подвижными сперматозоидами. Исследователи смогли проследить, как ничего не значащая последовательность в некодирующей ДНК путем серии последовательных мутаций превратилась в ген.

Чтобы понять, какова вероятность у случайной последовательности превратиться в функциональный ген, ученые разрабатывают специальные компьютерные симуляции. Так, Виктор Луриа, исследователь из Гарварда, создал модель, учитывающую вероятности возникновения мутаций и рекомбинаций, и добавил туда немного естественного отбора. Если задать этой программе последовательность ДНК длиной с человеческий геном, через 100 млн поколений некоторые участки этой ДНК действительно превратятся в активные гены. В присутствии давления естественного отбора в таком геноме образуются сотни и даже тысячи генов.

К настоящему времени ученые составили целый каталог генов, без сомнения появившихся в геномах de novo. Среди них дрожжевой ген, определяющий запуск полового процесса, ген двукрылых насекомых, необходимый для полета, и ряд других. Многие из этих генов встречаются только у людей, и об их функциях у ученых нет ни малейшего представления. В 2015 году при помощи новых алгоритмов анализа РНК были выявлены сотни подобных генов в геномах человека и шимпанзе: из более 600 человеческих генов, представленных учеными, 80% являются абсолютно новыми, не идентифицированными ранее.

К сожалению, разгадать функции этих генов куда сложнее, чем предсказать их существование. Практика показывает, что многие из этих генов, едва появившись, быстро становятся жизненно необходимыми – например, это 20% генов de novo у дрозофилы. Многие из этих генов также несут следы естественного отбора, что говорит об их важной функции.

Drosophila by Alex Vrany
Решили напомнить вам, что такое дрозофила. Это вот оно. Фото: Alex Vrany.

В нашем геноме идентифицирован как минимум один новый, специфичный для человека ген, вовлеченный в работу мозга. История успеха этого гена с романтичным названием FLJ33706 также была детально прослежена: вставка мобильного элемента, пара удачных мутаций, уничтоживших стоп-кодоны, – вжух, и из никому не нужной последовательности образовался ген. Ученые выяснили, в каких областях мозга он работает, а также обнаружили, что повышенная экспрессия FLJ33706 наблюдается в мозгах пациентов с болезнью Альцгеймера. Это исследование, конечно же, стало основой для спекуляции, что множество новых генов вовлечено в эволюцию нашего мозга. Другие гены, образованные de novo, а точнее мутации в них, были уличены в связи с канцерогенезом.

Новые гены также меняют наши представления о том, какими должны быть белки. Так как такие гены чаще всего короткие, они дают жизнь маленьким белкам без определенной структуры – в противоположность хорошо структурированным белкам со сложной доменной организацией. Неструктурированность позволяет этим белкам связываться с широким спектром субстратов. Другими словами, эти белки склонны к беспорядочным связям – в биохимическом смысле. Видимо, это отчасти объясняет, как им удается встроиться в сложную сеть взаимодействий, управляющих клеткой, – задача эта не менее сложная, чем убедить очередь в поликлинике, что ты занимал за бабушкой, которая только что зашла в кабинет врача.

Есть, к примеру, специфичный человеческий ген ESRG, производимый им белок необходим для функционирования эмбриональных стволовых клеток на самых ранних стадиях. У других приматов есть некоторые фрагменты его последовательности, никакой активности они, конечно же, не проявляют, и тем не менее их эмбриональные стволовые клетки прекрасно себя чувствуют. Как гену ESRG удалось убедить человека в своей нужности? Теперь, когда образование новых генов из «мусорной» ДНК уже не вызывает ни у кого сомнений, на первое место вышли вопросы их работы – как эти сиротки обретают свои функции и устраиваются в такой сложной и страшной внутриклеточной жизни.


Текст: Дарья Спасская. По материалам: Quanta Magazine и др.

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вы хотите поделиться с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. Пожалуйста, не копируйте текст в соцсети целиком, мы хотим, чтобы наши статьи читали на нашем сайте, попутно замечая и другие наши прелестные статьи. С уважением, Батрахоспермум.

gingy-genes

Вас также могут заинтересовать статьи:
В поисках человеческих генов-печенек
Кишечные археи: темная материя вашего организма
Способна ли нейробиология понять Донки Конга?


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение