Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

Идея о случайных взаимодействиях может показаться странной, но она подтверждается серьезными экспериментами. Рассмотрим такой опыт. Берем ген, который кодирует белок, заставляющий клетку светиться. Благодаря этому мы можем увидеть собственными глазами, работает ген или нет. Такие гены называют репортерными — они как бы докладывают нам, идут ли процессы транскрипции и трансляции. Теперь присоединим к репортерному гену цепочку случайной ДНК, прямо перед ним. Дело в том, что ДНК перед геном служит своего рода переключателем, который включает и выключает ген. И вот вопрос: если мы поместим в клетку эту конструкцию из случайной ДНК и репортерного гена, как часто клетка будет светиться? Иными словами, насколько вероятно, что случайный фрагмент ДНК сработает как включатель? Важно помнить: это совершенно случайная ДНК, она не прошла эволюционный отбор, чтобы обеспечивать экспрессию белка. Если случайные взаимодействия ДНК — обычное дело, мы будем часто наблюдать свечение. И если такие случайности встречаются часто, мы не можем автоматически считать любое наблюдаемое явление результатом естественного отбора.

Подобный эксперимент — и его разновидности — проводили на бактериях, дрожжах, человеческих клетках и мушках. И везде результат один: случайные последовательности ДНК удивительно часто работают как переключатели. Вот показательный пример: когда в дрожжи ввели множество случайных фрагментов ДНК длиной в 120 спаренных оснований, примерно половина из них запустила производство светящегося белка. А если поместить в дрожжевые клетки человеческую ДНК — даже в перевернутом виде, — транскрибируется более 99% последовательности. Конечно, природные переключатели в ДНК работают эффективнее, но и случайная активация происходит довольно часто. Что касается РНК, которые образуются из межгенных участков ДНК в дрожжах, то практически для всех них нельзя исключить, что они — просто результат случайной транскрипции.

Сегодня мы знаем: для эволюции генной экспрессии одинаково важны два процесса — как подавление случайной транскрипции, так и обеспечение нужной. Это хорошо видно, если сравнить картину работы генов у современных дрожжей с тем, что происходит со случайной ДНК. У генов, прошедших эволюционный отбор, мы видим более высокий уровень экспрессии, меньше транскрибируемых участков и реже встречаем считывание с обеих цепей ДНК. Похоже, что дрожжи в процессе эволюции выработали способность подавлять случайную экспрессию — именно это позволяет добиться высокого и точного уровня экспрессии действительно важных транскриптов.

Ученые провели похожие эксперименты, чтобы выяснить, как часто случайные транскрипты проходят через сплайсинг. Оказалось, что побочные РНК, полученные из человеческой ДНК в дрожжевых клетках, подвергаются сплайсингу примерно с той же частотой, что и собственные гены дрожжей. В каждом таком случае наблюдается активность, которую сторонники ENCODE сочли бы доказательством функциональности. Но я сказал бы иначе: иногда случайность — это просто случайность.

Все эти эксперименты показывают, что многие биохимические процессы могут быть случайными. Но нас интересует другое: какие участки нашего генома, сформированного эволюцией, действительно функциональны? Иными словами, какие изменения в геноме — от замены единственного нуклеотида до потери или приобретения целых фрагментов ДНК — могут всерьез повлиять на жизнеспособность организма? Такие изменения могут происходить разными путями, например когда в нашу ДНК встраивается вирус.

Подойти к решению этого вопроса можно несколькими способами. Один из них — генетический эксперимент, в котором мы удаляем предположительно важный участок ДНК. Такое удаление называется нокаутом. Если речь идет о генах, есть и другой вариант: оставить ген на месте, но заблокировать его транскрипцию в РНК. Создавая нокауты отдельных генов, мы можем разобраться в их назначении. Принцип прост: сравниваем организм в двух состояниях — с работающим геном и без него (или без продукта его работы). Это похоже на игру «найди отличия». Или, как мы уже видели в предыдущей главе, можно определить параметр s — то есть силу отбора после удаления гена, — наблюдая за ростом организмов в лаборатории.

У такого подхода есть серьезное ограничение: он вполне может убедительно показать функциональность участка ДНК, но отрицательный результат часто бывает обманчив. Возьмем, к примеру, дрожжи: все указывает на то, что их гены, кодирующие белки, жизненно необходимы. Практически для всех этих генов показатель Ka/Ks меньше единицы — верный признак того, что они находятся под давлением естественного отбора. Однако в лабораторных условиях удаление многих генов либо вообще никак не проявляется, либо дает лишь слабый эффект. Означает ли это, что эти гены на самом деле неважны, несмотря на все эволюционные свидетельства их значимости?

Ответ однозначен — нет. И вот в чем загвоздка: мы неспособны измерить те тончайшие различия в приспособленности, которые важны для эволюции. Изменения могут быть настолько незначительными, что мы их просто не замечаем, но от этого они не становятся менее важными. Не забывайте: в видах с большими популяциями естественный отбор может работать даже с мутациями, дающими крошечное преимущество. А в лабораторных условиях уловить такой тонкий отбор практически невозможно.

Есть у нас и более общая проблема с так называемыми ложноотрицательными результатами — речь о генах, которые при удалении вроде бы никак не влияют на организм, но на самом деле выполняют важные функции. Несколько лет назад я исследовал эту проблему на дрожжах. Нас с коллегами интересовало, почему у дрожжей можно удалить множество генов — по одному за раз — и клетка при этом прекрасно себя чувствует. Ответ оказался простым. Большинство генов, которые в лабораторных условиях кажутся бесполезными при выключении, попросту не нужны дрожжам, живущим в лаборатории: все дело в тепличных условиях, которые мы создаем для их выращивания.

«Несущественные» гены часто кодируют способность усваивать определенный тип пищи, отсутствующий в лабораторной диете. Также они теряют свою важность, когда конечный продукт метаболического пути уже содержится в рационе организма. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы берете организм, способный синтезировать витамин С, насыщаете его рацион этим витамином, а затем удивляетесь, почему клетка с выключенным геном GULO прекрасно себя чувствует. Конечно, ей не нужно самостоятельно производить витамин С, если она получает его в избытке извне. Представьте: я отправляю вас в солнечное и засушливое место и вы, чувствуя себя одинаково комфортно как с дождевиком, так и без него, делаете вывод, что дождевики вообще бесполезны, — это была бы точно такая же ошибка.

Отсутствие очевидной функции может просто означать, что она не нужна в данных конкретных условиях. Другие эксперименты на дрожжах показывают: стоит изменить условия, и отсутствие гена тут же даст о себе знать. Но проблема никуда не девается: даже если удаление элемента не производит заметного эффекта, это вовсе не значит, что удаленный элемент