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

бесполезен при любых обстоятельствах. К тому же у этого подхода есть еще один недостаток: сам процесс выключения гена может оказаться причиной наблюдаемых эффектов — в таком случае мы имеем дело с ложноположительными результатами. Для некоторых методов исследования это, как известно, является распространенной проблемой.

Пожалуй, лучший способ определить, действительно ли участок ДНК выполняет важную для отбора функцию, — проследить, в какой степени он сохраняется в ходе эволюции. Ведь если ДНК нефункциональна, а ее активность случайна, она вряд ли сохранится. Именно поэтому для большинства генов соотношение Ka/Ks меньше единицы — аминокислоты сохраняются лучше, чем можно было бы ожидать при фоновой скорости эволюции. Исследователи несколькими независимыми методами оценивали функциональность нашего генома в целом, не ограничиваясь только белок-кодирующими областями. Они анализировали степень консервативности последовательностей и оценивали реальные возможности действия отбора. Данные о частоте мутаций в популяциях тоже показательны: если действует отбор, мутации обычно редки и находятся на нижних ступенях воображаемой лестницы — они словно движутся против ветра естественного отбора. Какой бы метод ни применялся, результаты всегда похожи: от нескольких процентов до примерно 15% нашей ДНК находится под действием отбора, сохраняющего ее полезные свойства. Можно с уверенностью говорить, что функциональна приблизительно десятая часть нашей ДНК. До 80% эта цифра не дотягивает никогда.

У всех методов есть свои изъяны, и многие спотыкаются на одном и том же: как классифицировать мутации в тех участках генома, где важно само наличие ДНК, но не ее конкретный состав? Возьмем, к примеру, последовательности GGC, GGT, GGA и GGG — все они кодируют аминокислоту глицин. В этом случае нам жизненно необходим нуклеотид в третьей позиции (A, C, T или G), но не так важно, какой именно из четырех там окажется. Главное — присутствие, а не конкретный «исполнитель». И хотя такой отбор — на присутствие, а не на конкретный вариант — действительно работает, мы все равно увидим, как эволюция отметает мутации, удаляющие третий нуклеотид, даже если ей безразлично, какой именно нуклеотид займет это место. Совершенно непонятно, могут ли подобные эффекты объяснить, почему, скажем, наши интроны и межгенная ДНК длиннее мышиных.

Как ведут себя гены: малые популяции и неточности генной экспрессии

Почти нейтральная модель не только проливает свет на эволюцию анатомии генома, но и помогает понять, как геном себя ведет. С ее помощью можно разобраться и в том, насколько случайна или неслучайна активность нашего генома. Как мы уже видели, случайное образование РНК из произвольных участков ДНК — явление весьма распространенное. Если верна оценка, что лишь 10% генома функциональны, то многие другие взаимодействия и процессы в клетке, вероятно, тоже представляют собой своего рода «биологические ДТП». У видов вроде нашего, чей геном раздулся из-за малой численности популяции, способность контролировать работу генной экспрессии, похоже, снижена, а значит, таких «аварий» должно быть больше. Так что же, наши клетки — это что-то вроде хаотичных городов, где правила дорожного движения соблюдаются не всегда? Или за всей этой сложностью клеточной биологии все-таки кроется определенная логика?

В поисках ответов на эти вопросы исследователи заинтересовались явлением, которое можно назвать альтернативной обработкой генов. В хрестоматийной версии все происходит по строгому сценарию. ДНК начинает считываться с определенной точки. Процесс транскрипции РНК тоже завершается в строго отведенном месте, после чего к молекуле пришивается хвостик из А-оснований, так называемый поли(А)-хвост. Затем РНК проходит через сплайсинг — как правило, единственным стандартным способом — и превращается в зрелую матричную РНК. Дальше эстафету подхватывает рибосома: она безошибочно находит стартовый кодон ATG и прекращает работу на первом же стоп-сигнале. Финальный штрих — белок аккуратно сворачивается и отправляется по нужному адресу внутри клетки.

Если бы все было так просто! На самом деле считывание гена может начинаться в разных точках, это называется альтернативной инициацией транскрипции. Трансляция тоже стартует с разных участков мРНК, а цепочки А-нуклеотидов пришиваются к концам РНК как попало. При сплайсинге генов мы получаем целый букет разных вариантов, а во время трансляции нередко проскакиваем стоп-сигнал и продолжаем синтез дальше. То и дело возникают ошибки: не те аминокислоты встраиваются в белок, не те нуклеотиды попадают в РНК, белки неправильно сворачиваются и отправляются не по адресу. Рибосома тоже может споткнуться и начать считывать в новой рамке. Напомню: рибосома читает мРНК триплетами, поэтому последовательность ATG GGC CTG TTA дает определенный набор аминокислот. Но если рибосома проскользнет — это называется смещением рамки считывания, — та же самая мРНК прочитается совсем иначе. Допустим, рибосома перескочит на одно основание после первого А. Тогда она будет читать TGG GCC TGT TA… В результате получится белок, радикально отличающийся от оригинального. А еще мы неточно копируем ДНК при репликации — именно отсюда берется большинство мутаций.

Так что же это — полезные адаптации или просто сбои в работе клетки? Каждый раз, бывая на конференциях молекулярных биологов, я не перестаю удивляться их стремлению видеть во всех этих явлениях скрытую адаптацию. Стоит рибосоме проскочить стоп-кодон, как тут же начинаются рассуждения о том, как это, должно быть, обогащает наш белковый репертуар. В некоторых случаях такое «проскакивание» действительно несет определенную функцию. Известно, что некоторые вирусы специально программируют смещение рамки считывания, чтобы получить новый белок. Да и часть событий альтернативного сплайсинга, вероятно, тоже имеет функциональное значение.

Но действительно ли все эти события — запрограммированные адаптации? Может быть, в большинстве случаев мы имеем дело с обычными ошибками? По крайней мере для фолдинга белка ответ известен: неправильное сворачивание — это именно ошибка. Доказательство простое: неправильно свернутые белки отправляются в клеточный центр переработки, где их разбирают на отдельные аминокислоты для повторного использования.

Эволюция генетических последовательностей тоже может пролить свет на этот вопрос. Возьмем, к примеру, явление трансляционного проскакивания. В норме процесс выглядит так: трансляция мРНК начинается с кодона ATG, кодирующего метионин, потом идет кодон за кодоном, пока не встретится стоп-сигнал. Здесь рибосома должна остановиться, отсоединиться и выпустить готовый белок. Но иногда происходит сбой — рибосома игнорирует стоп-сигнал, вставляет вместо остановки какую-нибудь аминокислоту и продолжает работу. В итоге она может либо остановиться на следующем стоп-сигнале, либо добраться до поли(А)-хвоста, который работает как аварийный улавливатель для разогнавшихся рибосом, примерно как заполненные песком тормозные карманы на крутых склонах, которые страхуют грузовики с отказавшими тормозами.

Эта проблема особенно любопытна тем, что разные стоп-кодоны демонстрируют разную склонность к проскакиванию. Из всей тройки TAA — самый надежный, TGA — самый ненадежный, а TAG занимает промежуточное положение. Если почти нейтральная модель верна и