Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

Многие некодирующие РНК определяют очень специфические типы клеток, как показано в работах Ари Мельника, Манолиса Келлиса, Марка Герштейна, Джона Мэттика, Кристины Лесли и консорциума ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements, «Энциклопедия элементов ДНК»). Действительно, именно в этом аспекте человеческого генома могут быть представлены его наиболее уникальные черты, отличающие нас от других видов. Всего 2 % человеческого генома кодируют белки. А вот у бактерий за производство белков отвечает 99 % генома, у дрожжей – 80 %, а у большинства других организмов – порядка 20–30 %. Но… почему? Сколько всего генов и как предсказать, что именно они делают?

Гены

ДНК и РНК, присутствующие в каждой клетке, не просто несут огромный массив инструкций и врожденных адаптивных откликов на окружающий мир. Дискретные элементы ДНК действуют как функциональные рычаги. Эти рычаги и есть гены. С 1940-х и вплоть до 1970-х гг. господствовала теория, согласно которой за каждым геном закреплена одна конкретная функция («один ген – один фермент»), поскольку именно это наблюдалось в бактериальных системах. За открытие такой закономерности Джордж Бидл даже был удостоен Нобелевской премии. Его работа привела к популяризации концепции, согласно которой существует «ген интеллекта», «ген рака» или «ген роста».

Однако у человека и других многоклеточных организмов генетическая регуляция устроена сложнее. Редко бывает так, что один ген реализует единственную простую функцию, определяет какой-то признак (так называемый фенотип)[5] или является единственным фактором, от которого зависит риск заболевания. Почти все гены действуют в клетках сразу нескольких типов, в разных тканях и/или на разных этапах развития. Принцип «один ген – много функций» называют плейотропией. Поскольку она характерна для многих генов, очень сложно выделить тот единственный ген, отвечающий за конкретный фенотип. Например, белок, который действует в качестве фермента в одной химической реакции, может использоваться для другой цели. Тот же ген, который контролирует метаболизм инсулина (PI3K), также может играть решающую роль при реагировании клетки на химиотерапию и определять, станет ли рак метастатическим.

Хотя размер человеческого генома практически не менялся с тех пор, как эволюционные пути человека и его ближайших родственников, шимпанзе и бонобо, разошлись около 6 млн лет назад, наши знания о генах и их регуляции стали проясняться лишь в последние 10–20 лет. В конце 1990-х гг. шли серьезные дебаты о том, сколько же генов у человека. Высказывались оценки, что их количество может достигать 120 000 либо не превышать 20 000. Тогда была не вполне понятна разница между кодирующей и некодирующей РНК, а многие придерживались антропоцентрической точки зрения, согласно которой человек, как сложный организм, должен иметь гораздо больше генов, чем дрозофила (13 000) или нематода (20 000). Однако, когда в 2001 г. была опубликована первая черновая версия генома человека, оказалось, что у нас всего около 25 000 генов.

С 2001 г. темпы открытия новых генов в геноме человека не снижаются. Усилия многих исследователей как в отдельных лабораториях, так и в больших консорциумах вроде ENCODE позволяют быстро обнаруживать новые гены в «книге жизни», содержащей 3,1 млрд символов. В среднем каждый год удается найти около 1000 новых генов. К 2020 г. их количество превысило 60 000. Впрочем, количество генов, кодирующих белки, остается относительно постоянным и держится на уровне 20 000. Эти гены отвечают за синтез ферментов, белковых комплексов и функциональных элементов клетки, в основе которых лежат аминокислоты. В то же время удается найти и четко вычленить все больше и больше некодирующих генов (рис. 3.1). Таким образом, нам еще предстоит открыть некоторые из тех генов, что сыграют важную роль при космических полетах.

Рис. 3.1. Рост количества выявленных человеческих генов: статистика аннотаций для генов из каждой категории в каталоге GENCODE

Работа по поиску новых генов продолжается и сейчас, поскольку ДНК является лишь носителем информации о геноме человека, а вот активные формы (РНК) могут быть очень специфичными для каждой клетки, ткани или стадии развития, и поэтому поиск таких форм требует огромных усилий. Например, плодный гемоглобин (гемоглобин F) – молекула, при помощи которой человеческий эмбрион получает бóльшую часть кислорода. Но к моменту рождения этот ген отключается и обычно больше не работает. Чтобы решить такую сложную задачу, как охват работы генома во всей его пространственно-временной сложности, и найти гены, которые могут экспрессироваться очень редко или спорадически, в настоящее время реализуются несколько проектов по построению атласа для каждого типа клеток в организме человека. В их числе можно назвать проект BrainSpan под руководством Ненада Сестана и Human Cell Atlas (www.humancellatlas.org) под руководством Авива Регева. Эти проекты помогут определить, сколько генов – и в каком объеме – на самом деле функционируют в клетке с первого момента ее существования.

Генетика не ограничивается изучением человеческого генома. Базы данных хранят информацию о геномах самых разных организмов. Есть несколько крупномасштабных проектов и баз данных, в которых хранится генетическая информация, и объемы ее со временем увеличиваются. К ним относятся GenBank (подробнее поговорим о нем, когда будем обсуждать технологию CRISPR), где хранятся все данные по секвенированию, расшифровке ДНК, полученные в мире. Также нужно упомянуть Европейскую лабораторию молекулярной биологии, KBase, японский банк данных по ДНК, а еще самая молодая генетическая база данных – Китайский национальный генетический банк. Два крупнейших мировых проекта по картированию геномов – Earth BioGenome Project и Vertebrate Genomes Project. В рамках этих проектов еженедельно выявляются тысячи генов организмов, обитающих в самых разных экосистемах.

Генетические изменения

Когда бы ни удалось выяснить окончательное – «истинное» – количество генов или приблизиться к его определению, этот показатель не будет вечным. Жизнь эволюционирует, и даже старые – «мертвые» – гены, например псевдогены, могут «ожить» и вновь стать функциональными. Эти гены – реликты наследственной информации, которые все еще присутствуют в геноме и отражают изменения, произошедшие в биологии человека за миллионы лет. В сущности, наш геном похож на древний папирус, на котором миллионы надписей затирают друг друга, а мы читаем отредактированные избранные эволюционные «заметки». Правда, теперь мы в состоянии их не только читать, но и видеть, что изменилось и как. Один из процессов называется «экзонизацией», когда часть гена, который в нынешнем состоянии не транскрибируется в белок, мутирует и превращается в экзон. Экзон, в свою очередь, может использоваться как часть новой РНК или элемент белка. Кроме того, почти со всеми генами происходит сплайсинг ДНК при делении клеток – процесс, при котором внутренние элементы гена смешиваются и переупорядочиваются, приобретая таким образом новую функцию. Такой процесс может запускаться болезнью (например, при миелодиспластическом синдроме), происходить при определении пола или специфических вариантах иммунного ответа.

Помимо создания и повторного использования генетического компонента в арсенале жизни есть и более простой способ приобретения новых генетических функций: отбор. Существуют примеры стремительного эволюционного отбора в последние несколько веков. Наиболее заметное в повседневной жизни изменение такого рода – это приобретенная взрослыми людьми способность усваивать лактозу (переносимость лактазы). Как правило, млекопитающие (кроме детенышей) такой способностью не обладают. Другой пример – отбор, направленный на увеличение размеров селезенки, на островах Полинезии. Благодаря этому современные полинезийцы могут нырять глубже и оставаться под водой дольше, чем другие люди. Наконец, есть свидетельства отбора по гену EPAS1 среди гималайских шерпов, которые лучше приспособлены к жизни на большой высоте. Эти эволюционные изменения произошли всего за несколько десятков поколений.

Регуляция на уровне генов

Если геном (вся ДНК) и транскриптом (вся РНК) определяют основные строительные блоки и потенциал клетки, то за их регуляцию отвечают дополнительные молекулы, расположенные на соответствующих азотистых основаниях. Вместе эти молекулы называются эпигенóмом и эпитранскриптóмом, где приставка «эпи-» означает «над-». Есть сотни химических маркеров, определяющих, когда, как и где ДНК и РНК пойдут в ход и будут использоваться в клетках. Речь может идти о минимальных химических изменениях, например о метилировании ДНК. В таком случае группа из четырех атомов (CH3) добавляется к цитозину (нуклеотидное основание, обозначаемое буквой «Ц»), чтобы было легче управлять функцией гена. Возможны и масштабные изменения