Помоги проекту - поделись книгой:
Как мы уже видели (глава 8), ЭС-клетки не остаются плюрипотентными по каким-то случайным причинам или просто в силу своей пассивности. Чтобы ЭС-клетки сохраняли свой потенциал, они должны очень тщательно регулировать собственные гены. Даже сравнительно малые возмущения в генетической экспрессии могут толкнуть ЭС-клетку по пути, который превратит ее в клетку специализированную. Представьте себе известную игрушку — гибкую шагающую пружину «слинки». Установим ее на верхней ступеньке длинного лестничного пролета. Малейшего толчка в нужную сторону достаточно, чтобы «слинки» начала свое весьма долгое путешествие. Может быть, лучше представить себе «слинки», которую удерживает от спуска по ступенькам небольшой грузик, прикрепленный к ее верхнему концу. Уберите груз — и пружина зашагает вниз.
Существует целый набор белков, абсолютно необходимых для поддержания плюрипотентности ЭС-клеток. Эти белки называются главными регуляторами (master regulators). Их можно уподобить грузику на верхнем конце «слинки». Уровень экспрессии главных регуляторов в ЭС-клетках очень высок, однако в специализированных клетках он гораздо, гораздо ниже.
Важную роль этих белков недвусмысленно продемонстрировали в 2006 году. Японские ученые искусственно экспрессировали комбинацию из четырех таких главных регуляторов в клетках, уже прошедших дифференциацию, обеспечив при этом очень высокие уровни экспрессии. Как ни поразительно, это породило целую череду молекулярных событий, кульминацией которых стало создание клеток, по своему действию почти идентичных ЭС-клеткам14. Это как если бы «слинки» вдруг прошагала с нижней ступеньки обратно на верхнюю. Клетки, созданные таким способом[38], в организме могут превращаться в человеческие клетки практически любого типа. Замечательная работа. Изыскания, которые за ней последовали, вызвали большое воодушевление. Ведь теперь в принципе оказалось возможным выращивать клетки-заменители для лечения огромного числа заболеваний — от слепоты и диабета первого типа до болезни Паркинсона и сердечной недостаточности.
До развития этой новой технологии ученые испытывали огромные трудности при создании нужных клеток для лечения тех или иных болезней человека. Дело в том, что клетки, взятые у одного человека, обычно не удается спокойно имплантировать другому. Иммунная система распознает донорские клетки как чужеродные и уничтожает их, как если бы они являлись организмом-захватчиком. Однако, как показано на рис. 12.1, теперь мы в принципе имеем возможность производить клетки, идеально подходящие конкретному пациенту.
Рис. 12.1. Теория, в принципе позволяющая использовать клетки, выращенные на основе биоматериала пациента, для лечения этого конкретного пациента.Имплантируйте клетки в организм пациента.
На основе этой работы 2006 года возникла целая отрасль промышленности, потенциальный оборот которой составляет миллиарды долларов. Кроме того, исследователи получили одну из самых «быстрых» Нобелевских премий по физиологии и медицине: им присудили ее всего через 6 лет после первой публикации15.
В нормальных ЭС-клетках некоторые белки, являющиеся главными регуляторами, при соединении с суперэнхансерами дают очень высокую плотность белков в зоне связывания. Сами же суперэнхансеры регулируют некоторые ключевые гены, поддерживающие плюрипотентное состояние клеток. В тех же местах очень высока концентрация комплекса-медиатора. Подавление экспрессии одного из главных регуляторов или медиатора оказывает весьма схожее воздействие на экспрессию этих ключевых генов. Уровни экспрессии падают, и увеличивается вероятность того, что ЭС-клетки начнут дифференцироваться, превращаясь в клетки специализированные.
Поскольку плюрипотентное состояние ЭС-клеток во многом определяется высокими уровнями экспрессии главных регуляторов, неудивительно, что сами главные регуляторы контролируются суперэнхансерами. Это создает систему с положительной обратной связью (см. рис. 12.2).
Циклы с положительной обратной связью сравнительно редко встречаются в биологии — главным образом из-за того, что в том случае, если они начнут вести себя как-то не так, их трудно будет снова обуздать. По счастью, кодирующие белок гены, регулируемые суперэнхансерами, весьма чувствительны к малейшим изменениям связывания главных регуляторов и к целому ряду других факторов. А значит, не исключено, что даже небольшого изменения в балансе этих факторов может оказаться достаточно для прерывания этого цикла с положительной обратной связью, что позволит клеткам не оставаться плюрипотентными, а начать дифференциацию. В конце концов, обычно не требуется больших усилий, чтобы столкнуть пружину «слинки» с лестницы.
Сообщалось также о наличии суперэнхансеров в клетках злокачественных опухолей. Вероятно, там они взаимодействуют с генами, оказывающими ключевое воздействие на размножение клеток и развитие раковых процессов16. Один из генов, регулируемых таким суперэнхансером, порождает лимфому Бёркитта (мы уже упоминали этот ген в данной главе). В кое-каких нормальных специализированных клетках тоже имеются суперэнхансеры. Они связываются с белками, специфическими для клеток данного типа и определяющими особенности клетки.
Рис. 12.2. Цикл с положительной обратной связью, поддерживающий высокий уровень экспрессии генов, которые отвечают за выработку главных регуляторов.
Преодолевая расстояния
В большинстве событий, которые мы описывали в этой главе, участвуют энхансеры, которые находятся сравнительно близко от таргетируемых ими генов: обычно в пределах 50 тысяч нуклеотидных оснований. Довольно легко представить себе, как это происходит: длинная некодирующая РНК и комплекс-медиатор действуют как своего рода якорь для фермента, копирующего ДНК в информационную РНК. Однако во многих ситуациях энхансер и регулируемый им ген, кодирующий белок, на хромосоме отстоят друг от друга довольно далеко: их может разделять до нескольких миллионов пар нуклеотидных оснований. Такая же разница, как между попыткой передать солонку кому-то на противоположном конце стола и попыткой передать ее кому-то, кто располагается на другом конце футбольного поля. Нелегко представить себе, каким образом может осуществляться такого рода дистанционное взаимодействие между геном и энхансером. Размеров длинной некодирующей РНК и комплекса-медиатора не хватит, чтобы перекрыть такое огромное расстояние.
Чтобы разобраться в этом процессе, придется усложнить обычный образ генома. Как правило, весьма полезно и удобно описывать ДНК как веревочную лестницу или железнодорожные пути, ибо это помогает вообразить две ее нити и то, как они удерживаются вместе посредством пар нуклеотидных оснований. Однако проблема в том, что при этом мы думаем о ДНК как о чем-то линейном, к тому же достаточно жестком, поскольку подсознательно мы сравниваем ее с твердыми предметами из более привычной нам среды.
Но мы уже знаем, что ДНК — не жесткая молекула, ведь ее можно очень сильно сплющивать, сминать, комкать, чтобы она уместилась в ядре. Так что давайте углубим наши исследования. Если все-таки принять двунитевую природу ДНК как данность (чтобы не усложнять картину), можно представить себе фрагмент нашего генома как длинную макаронину — возможно, самый длинный в мире кусок лапши тальятелле. В двух местах она отмечена пищевым красителем: эти места изображают энхансер и ген, кодирующий белок. Глядя на рис. 12.3, мы видим два возможных сценария. Пока макароны не сварили, они сохраняют жесткость, и энхансер находится вдали от гена. Но после варки макароны становятся гибкими. Теперь они могут сгибаться во всевозможных направлениях, в результате чего окрашенные участки, изображающие энхансер и ген, могут сближаться.
Некоторые части наших хромосом в определенных клетках подавляются и выключаются почти навсегда — чтобы отключить гены, которые никогда не понадобится экспрессировать в тканях данного типа. Скажем, клеткам нашей кожи незачем экспрессировать белки, которые используются кровью для переноса кислорода. В клетках кожи соответствующие области генома совершенно недоступны: они плотно свернуты и напоминают чересчур сжатую пружину. Однако в этих же клетках есть громадные области, не находящиеся в таком сверхсжатом состоянии. Гены в них вполне доступны и могут включаться. ДНК в таких зонах напоминает самую длинную вареную макаронину в мире, целиком заполняющую кастрюлю. Макаронина сгибается и извивается в кипящей воде, образуя всевозможные петли и дуги.
Рис. 12.3. Упрощенная схема показывает, как складывание гибкой молекулы ДНК может сблизить два отдаленных ее участка — скажем, энхансер и ген, кодирующий белок.
В таких случаях ген, кодирующий белок, и расположенный вдали от него энхансер могут сильно сближаться друг с другом. Затем длинная некодирующая РНК и комплекс-медиатор удерживают две петли вместе, обеспечивая усиление экспрессии гена. В этом медиатору должен помогать еще один комплекс[39]. Этот дополнительный комплекс требуется также для разделения хромосом, прошедших дупликацию в процессе деления клетки, так что он хорошо оснащен для работы с масштабными перемещениями ДНК. Мутации в некоторых генах, кодирующих белки этого дополнительного комплекса, вызывают две болезни развития — синдром Робертса и синдром Корнелии де Ланге17. Их проявления могут быть довольно разными и, вероятно, определяются тем, какой именно ген мутирует и какова эта мутация. Обычно дети с этими заболеваниями рождаются слишком маленькими и в дальнейшем сохраняют это отставание в росте. Они испытывают трудности с обучением. Зачастую у них деформированы конечности18.
Подобный «петлевой» механизм распространен довольно широко. Возможно, он применим не только к энхансерам. Не исключено, что с его помощью и другие регуляторные элементы сближаются с теми или иными генами. В рамках исследования трех клеточных типов, затронувшего лишь 1% человеческого генома, удалось выявить более 1000 таких дистанционных взаимодействий в каждой линии клеток. Эти сложные взаимодействия чаше всего связывали области, разделенные примерно 120 тысячами пар нуклеотидных оснований. Среди более чем 90% таких петель ближайший ген просто игнорировался. Представьте, что вам понадобилось одолжить немного сахара, и вы отправляетесь не к ближайшему соседу, а к кому-нибудь, кто живет в полумиле от вас.
Продолжим тему соседей. Описываемые внутриклеточные взаимодействия ужасающе легкомысленны. Представьте себе свингерскую вечеринку 1970-х, только во много раз более разнузданную. Исследователи обнаружили, что у некоторых генов количество различных регуляторных областей, с которыми они взаимодействуют, доходит до 20. А у некоторых регуляторных областей количество генов, с которыми они взаимодействуют, доходит до десятка. Вероятно, не все эти взаимодействия происходят в одной и той же клетке в одно и то же время. Ученые показали главное: между генами и регуляторными регионами нет добропорядочных однозначных отношений «А и В». Нет, мы имеем дело со сложным набором взаимодействий, дающим клетке (или организму в целом) необычайно гибкие возможности регулирования всего этого пестрого узора генетической экспрессии19. Нам еще многое предстоит выяснить об этих сетях и о том, как они действуют. Сейчас дело выглядит так: мусорная ДНК, формирующая промоторы, заводит наши генетические моторы, но есть и мусорная ДНК, формирующая длинные некодирующие РНК и энхансеры. Она-то и превращает двигатель из слабенького сандеровского в такой, который вполне может разогнать «вейрон» на автостраде жизни.
От кустарного промысла до фабричного конвейера
Несомненно, образование петель между отдельными регуляторными областями и генами — явление примечательное. Однако в клетках происходит и череда других дистанционных взаимодействий, еще более впечатляющая. Чтобы осознать ее значение, совершим небольшой экскурс в историю. В Британии начала XIX века основную часть текстильных работ выполняла кустарная промышленность. В сущности, речь идет о надомном производстве. Каждое из таких хозяйств производило сравнительно немного. Если для какого-нибудь региона страны составить карту центров текстильного производства того времени, вы увидите множество отдельных точек, каждая из которых показывает дом, где велось производство. А полвека спустя, в эпоху промышленной революции, картина стала совершенно иной. Вместо довольно однородного распределения точек, как на полотне пуантилиста, вы увидите на карте лишь несколько больших пятен, показывающих расположение крупных фабрик.
В человеческой клетке каждого типа обычно включены тысячи генов, кодирующих белки. Эти гены распределены по нашим 46 хромосомам. Можно бы ожидать, что при анализе клеток те места, где расположены включенные гены, будут выглядеть как тысячи крошечных точек, разбросанных по всему ядру. Однако (схематически это показано на рис. 12.4) на самом деле мы увидим лишь примерно 300-500 более крупных пятен20. Генетическая экспрессия в наших клетках — это вам не надомное производство. Она происходит в определенных местах ядра — на клеточных фабриках21.
Рис. 12.4. Точками обозначены позиции расположенных в ядре генов, кодирующих белки. Если бы эти гены располагались в ядре лишь в зависимости от своего положения на хромосомах, мы увидели бы диффузную картину (слева). На самом деле гены группируются друг с другом в трехмерном пространстве, создавая узор генетической локализации, показанный более крупными точками (справа).
Каждая фабрика содержит от 4 до 30 копий фермента, создающего молекулу информационной РНК на основе матрицы ДНК. Кроме того, на фабрике имеется большое количество других молекул, которые требуются для выполнения этой работы22,23. Ферменты остаются на месте, а нужный ген «прокручивается» через них в ходе своего копирования24. Чтобы ген добрался до фабрики, ДНК должна образовать петлю, дотягиваясь до нужной части клеточного ядра. Однако самый хитроумный фокус — в том, что на одной и той же фабрике может копироваться в информационную РНК более одного гена одновременно. Комбинация генов на той или иной фабрике не случайна. Как правило, там собираются гены, кодирующие те белки, которые выполняют в клетке родственные функции. Это как если бы на обычной фабрике у вас имелось несколько параллельных сборочных конвейеров. Как только все линии завершат выполнение своих индивидуальных задач, фабрика может собрать конечный продукт из получившихся компонентов. Одна фабрика делает лодки, другая выпускает миксеры. Фабрики в наших клетках обеспечивают скоординированную экспрессию генов. А значит, хромосомы одновременно образуют множество петель, сходящихся в одних и тех же областях.
Вот, к примеру, фабрика генов, кодирующих белки, необходимые для создания гемоглобина, сложной молекулы, которая переносит кислород в крови25. Другая фабрика используется для производства белков, необходимых для формирования сильной иммунной реакции26. Важная составляющая эффективного иммунного отклика — синтез белков, именуемых антителами. Антитела циркулируют в крови и других средах, связываясь с любыми чужеродными объектами, которые они обнаруживают. Ученые активировали клетки, вырабатывающие антитела, и стали исследовать, как ключевые гены будут образовывать петли. Изучались как раз гены, требуемые для создания антител. Как выяснилось, эти гены направлялись на одну и ту же фабрику. Любопытно, что некоторые из них при обычных условиях физически отдалены друг от друга, поскольку находятся на разных хромосомах.
Этот замечательный способ координации генетической экспрессии может повлечь за собой и некоторый риск. Лимфома Бёркитта — агрессивная форма рака, о которой мы уже упоминали в этой главе. При данном заболевании аномальным становится как раз тот тип клеток, который вырабатывает антитела. Сильный промотор с одной хромосомы занимает аномальную позицию рядом с геном другой хромосомы. До недавнего времени мы не понимали, почему эти области так склонны к объединению. Мы считали их физически отдаленными друг от друга, ведь они расположены на разных хромосомах. Но теперь нам известно, что обе области, обменивающиеся материалом и тем самым создающие эту опасную аномалию — гибридную хромосому, — способны перемещаться на фабрику, описанную чуть выше. Возможно, именно таким образом эти две различные хромосомы сближаются достаточно тесно, чтобы обменяться генетическим материалом. Не исключено, что обмен происходит, когда обе одновременно ломаются и затем неправильно ремонтируются на этой фабрике.
Может показаться, что эволюция в процессе отбора предпочла бы отбраковать эту опасную ситуацию. Но следует помнить, что естественный отбор зиждется на компромиссах, а не на стремлении к абсолютному совершенству. Возможность вырабатывать антитела, борющиеся с инфекциями, а значит, помогающие нам прожить достаточно долго, чтобы успеть размножиться, дает преимущества, явно перевешивающие потенциальные негативные последствия в виде увеличения риска развития онкологических заболеваний.
Глава 13. Ничейная земля
Когда мы вспоминаем Первую мировую войну, многие из нас сразу же представляют себе бойцов, сидящих в окопах. Противостоящие армии вгрызаются в грязные поля, чтобы месяцами пребывать в свойственной войнам «скуке, перемежаемой мгновениями острейшего ужаса»1. Между расположениями двух противников лежали разделяющие их участки «ничейной земли», они могли иметь ширину всего в сотни метров, а могли простираться и более чем на километр. По ночам солдаты вылезали из своих траншей на разведку или чтобы протянуть колючую проволоку, а бывало и так, что нужно было забрать своих раненых и тела убитых.
Геном человека содержит много областей «ничейной земли», отделяющей различные его компоненты друг от друга. Подобно топям Первой мировой, эти геномные барьеры отличаются по размеру и довольно-таки зыбки: все зависит от того, как они располагаются по отношению к движениям «войск». Как и на ничейной земле в те чудовищные годы европейской бойни, на этих участках все время что-то происходит. Тут связываются белки, складываются эпигенетические модификации, регулируются взаимодействия между различными генетическими элементами...
Для наших клеток это важно, поскольку большинство наших генов разбросаны по всему геному[40],2. Иными словами, почти все гены распределены по нашим 23 парам хромосом довольно-таки бессистемно. Как мы уже видели, гены, кодирующие белки, которые необходимы для выработки гемоглобина, сидят совсем не рядом и сближаются только благодаря изменениям в трехмерном расположении хромосом.
В наших клетках ген, кодирующий белок, который необходим для печени эмбриона, запросто соседствует с геном, кодирующим другой белок — экспрессируемый в коже взрослого человека. Существует огромное количество таких ситуаций, и это может вызывать трудности. А значит, нашим клеткам требуются барьеры между различными компонентами, чтобы поддерживать различные картины генетической экспрессии. Характер контроля должен соответствовать типу клетки и стадии развития организма. Мы вовсе не хотим, чтобы зубные гены экспрессировались у нас в глазах, а сердечные — в мочевом пузыре.
Мы знаем, что на экспрессию генов влияют эпигенетические модификации. Взять хотя бы мозг. Есть некоторые гены, которые никогда не экспрессируются в нейронных клетках. К примеру, белок кератин используется в волосах и ногтях, однако не играет никакой роли в сером веществе взрослого человека. В нейронах ген, отвечающий за синтез кератина, отключается и остается в неактивном состоянии благодаря определенной картине эпигенетических модификаций. Однако, как мы уже видели, эпигенетические модификации слепы по отношению к характеру ДНК-последовательности. Что мешает этим репрессивным модификациям проползти по геному за пределы кератинового гена, начав отключать и другие гены?
А ведь эпигенетические модификации зачастую являются самоподдерживающимися, что еще сильнее осложняет дело. Рассмотрим модификации, вовлеченные в процесс подавления генетической экспрессии. Эти модификации привлекают к себе другие белки, которые только усиливают первоначальное изменение. Следовательно, реактивировать экспрессию гена становится еще труднее. Эти белки, в свою очередь, привлекают белки, которые продолжают добавлять к ДНК-последовательности новые репрессирующие эпигенетические модификации, чтобы геи совсем уж не смог избежать инактивации. Впрочем, можно считать, что границы такого подавления достаточно размыты, поскольку эпигенетическая аппаратура не умеет распознавать конкретные ДНК-последовательности. Поэтому на периферии подавляемых областей эпигенетические модификации могут распространяться дальше, чем полагалось бы.
Останавливая распространение
В процессе эволюции наши клетки выработали любопытный способ предотвращения этого нежелательного явления. Подобно тому, как пожарные команды вырубают рощи или взрывают здания, чтобы остановить огненную стихию, наш геном иногда лишает топлива эпигенетические машины. Мусорная ДНК, служащая изолятором между инактивированными и активными областями генома, утрачивает свои гистоны. А если не будет белков-гистонов, то не будет и эпигенетических гистонных модификаций. Без модификаций не будет распространяться эпигенетическая активность. Это не позволяет репрессивным модификациям добираться до активных генов, а кроме того, предотвращает и обратный эффект. Процесс этот схематически показан на рис. 13.1.
Рис. 13.1.
Но поскольку разные клетки требуют изолирования разных областей (в конце концов, мы же хотим, чтобы кератин экспрессировался в клетках, производящих волосы), можно заключить, что самой по себе ДНК-последовательности еще недостаточно для формирования изолятора. Подобные изоляторы (инсуляторы) создаются путем комплексных и зависящих от конкретной ситуации взаимодействий между геномом и комбинациями белков, экспрессируемых клеткой в данный момент.
Один из самых важных таких белков экспрессируется почти повсеместно. Будем называть его 11-FINGER[41]. Это крупный высококонсервативный белок с характерной структурой. Складываясь в трех измерениях, он образует 11 пальцеобразных отростков (finger — от
Представьте себе одиннадцатипалого пианиста. На нем шерстяные перчатки. Шерсть на каждом перчаточном пальце окрашена в один из четырех цветов. Каждая клавиша пианино также окрашена в один из четырех цветов, причем распределение окраски случайно. Правила таковы: пианист может извлекать любую ноту, какую ему заблагорассудится, но всегда должен одновременно нажимать от 2 до 11 клавиш, причем цвета перчаточных пальцев и цвета клавиш должны совпадать. Похоже, тут возможно несметное количество комбинаций. А теперь представьте, что у инструмента не десятки, а тысячи клавиш.
Вот и белок 11-FINGER способен связываться со множеством различных геномных последовательностей аналогичным образом. Он может присоединяться к десяткам тысяч мест (сайтов связывания) в человеческих клетках. Он прикрепляется не только к ДНК: 11-FINGER связывается и с белками. Представьте себе, что у нашего многопалого пианиста на тыльной стороне перчаток липучки, которые могут соединяться с пушистыми шариками. Цветные пальцы молотят по клавишам, а тыльная сторона кистей понемногу покрывается шариками.
Так и обстоит дело с белком 11-FINGER. Пальцеобразные выступы связываются с ДНК, а другие поверхности белка соединяются с белками. Конкретная картина связывания будет зависеть от конкретного набора белков, экспрессируемых клеткой. Один из белков способен менять характер скручивания ДНК, что может играть важную роль в контролировании генетической экспрессии3. Другой белок добавляет определенные эпигенетические модификации4. В некоторых областях разновидности геномных «незваных гостей» служат изоляторами, которые препятствуют распространению активирующих или подавляющих эпигенетических модификаций из одной области в другую5.
Некоторые тРНК-гены могут выступать как инсуляторы. Они способны мешать процессу, в ходе которого экспрессия одного гена вызывает неподобающую экспрессию соседнего. Это еще одно преимущество обладания большим количеством тРНК-генов, показывающее, сколь экономно эволюция обычно распоряжается своим сырьем.
Схематически эти процессы показаны на рис. 13.2. Классический ген, кодирующий белок, покрыт эпигенетическими модификациями, усиливающими экспрессию этого гена. Фермент, который связывается с геном и копирует его в РНК (которая в конечном счете будет должным образом обработана для создания из нее зрелой информационной РНК), иногда может вести себя как неуправляемо катящийся поезд: начав копирование, он обычно уже не хочет останавливаться. Если поблизости окажется еще один ген, кодирующий белок, фермент может и его скопировать. Но если между генами два или больше тРНК-генов, такого не произойдет. Заметим, что тРНК-гены почти все время пребывают во включенном состоянии, поскольку они участвуют в создании всех белков. Существует фермент, копирующий тРНК-гены для создания тРНК-молекул на основе ДНК-матрицы. Однако это не тот фермент, который выполняет схожую работу, производя молекулы информационной РНК на основе классических генов, кодирующих белки. Фермент, создающий молекулы тРНК, ведет себя как здоровенный вышибала, не позволяющий другому ферменту войти и добраться до ближайшего гена. А поскольку фермент, копирующий тРНК-гены, не может связываться с классическими генами, кодирующими белки, общая генетическая экспрессия в этой области все время остается под жестким пространственным контролем6.
Рис. 13.2. Фермент, который копирует ДНК генов, кодирующих белки, в информационную РНК, связывается с отмеченным звездочкой местом в начале гена А. Если его не остановят, фермент может продолжать копирование, пока не скопирует и кодирующий белок ген В в информационную РНК (скорее всего, копирование гена В при этом совсем не требуется). тРНК-гены копируются с ДНК на действующие молекулы тРНК при помощи другого фермента. Это останавливает работу фермента, создающего информационную РНК на основе гена А, и предотвращает неправильное использование гена В.
Многие биологи очень любят подчеркивать выгоды, которые наука получила от развития технологий ДНК-секвенирования, и всегда существует искушение счесть, что большинство серьезных прорывов в этой сфере совершаются ныне благодаря высокотехнологичным молекулярным методам. На самом же деле нам очень помогают продвигаться вперед понимание основ биологии человека и логическое мышление.
Почему XX отличается от XXX
В главе 7 мы видели, что организм самок млекопитающих всегда инактивирует одну из X-хромосом в каждой из своих клеток — чтобы уровень экспрессии генов X-хромосом у них оставался равным уровню экспрессии этих генов у самцов. Если женская клетка содержит три X-хромосомы, она отключает две из них. А если в клетке лишь одна X-хромосома, она так и остается включенной.
Отсюда следует довольно очевидное предсказание. Неважно, сколько X-хромосом в клетке, поскольку X-инактивация всегда будет гарантировать, что одна из них останется функционально активной. А следовательно, пока у человека содержится хотя бы одна X-хромосома в каждой клетке, этот человек будет совершенно нормальным и здоровым.
На самом деле это не так. Бывает, что женщины с одной-единственной X-хромосомой или с тремя X-хромосомами проявляют зримые патологические симптомы. Точно так же дело обстоит с мужчинами, наделенными двумя X-хромосомами в придачу к своей Y-хромосоме. Может быть, у таких людей не очень хорошо работает X-инактивация? Нет, вряд ли. Ведь X-инактивация — система весьма устойчивая. Маловероятно, что она будет всегда работать идеально (биология не знает таких примеров), но случайные нарушения ее функционирования не объясняют, почему все женщины с единственной X-хромосомой демонстрируют весьма схожие клинические симптомы.
У женщин с единственной X-хромосомой рост ниже среднего и недоразвиты яичники7. У женщин с тремя X-хромосомами рост выше среднего, а кроме того, в детском возрасте у них часто возникают трудности при обучении и наблюдается отставание в развитии8. У мужчин с двумя X-хромосомами (и, конечно, с Y-хромосомой) рост выше среднего, а яички у них могут отличаться сравнительно небольшими размерами, что приводит к пониженной выработке мужского гормона тестостерона. Для них также повышен риск возникновения трудностей при обучении9.
Данные симптомы могут очень расстраивать пациентов и их родителей, однако симптомы эти куда мягче, нежели те, что наблюдаются у больных с аномальным количеством аутосомных хромосом (вспомните синдромы Дауна, Эдвардса и Патау). Дело в том, что у X-хромосомы большие размеры, и большинство ее генов должным образом инактивируется вне зависимости от того, сколько копий этой хромосомы имеется в клетке. Однако некоторые гены не проходят нужной инактивации.
Чтобы разобраться в происходящем, вернемся к моменту зарождения яйцеклетки или сперматозоида. На определенной стадии процесса хромосомы выстраиваются попарно, а затем хромосомы каждой пары растаскиваются по противоположным краям клетки. Клетка делится, и в каждой ее «дочке» содержится по одной хромосоме из каждой пары. Это легко себе представить на примере женской клетки. Две X-хромосомы образуют пару, которую затем можно разделить — точно так же, как любую другую пару хромосом с номерами от 1 до 22. Но когда мужской организм создает сперматозоиды, возникает проблема. Мужские клетки содержат по одной крупной X-хромосоме и по одной крошечной Y-хромосоме. Они сильно отличаются друг от друга. Однако при формировании сперматозоидов X-хромосома и Y-хромосома должны ухитриться каким-то образом найти друг друга и образовать пару, несмотря на то, что они так непохожи.
Почему им все-таки удается это проделывать? Потому что на концах у каждой X- и Y-хромосомы имеется небольшая область, в которой они очень схожи. Это позволяет им узнавать друг друга и сближаться при делении клетки, «держась за руки» до тех пор, пока им не нужно будет разлететься по противоположным концам «танцпола».
Эти области именуются псевдоаутосомными зонами. В них содержатся гены, кодирующие белки. Кроме того, они защищены от подавления при X-инактивации. С генами псевдоаутосомной зоны клеточные механизмы вообще обращаются совершенно иначе, нежели с большинством других генов X-хромосомы. Такая картина распределения активированных и инактивированных генов, приводящая к возникновению заметных патологических симптомов у мужчин и женщин с неправильным количеством X-хромосом, стала четким биологическим признаком того, что клетка обладает возможностями для функционального разделения различных блоков ДНК. И в основе этих возможностей лежат фундаментальные процессы.
X-инактивация определяется распространением по хромосоме длинной некодирующей
Рисунок 13.3 показывает, как эти области, избежавшие инактивации, вызывают изменения у обладателей неправильного количества X-хромосом. Организм женщины, имеющей лишь одну X-хромосому в каждой клетке, экспрессирует в псевдоаутосомных зонах только 50% от нормального количества генетических продуктов, вырабатываемых в этих зонах у обычной женщины (то есть XX-женщины). Организм женщины, обладающей тремя X-хромосомами в каждой клетке, экспрессирует в псевдоаутосомных зонах на 50% больше генетических продуктов, чем XX-женщина. Аналогичная ситуация с организмом мужчины, обладающего двумя X-хромосомами и одной Y-хромосомой. Его аутосомные зоны вырабатывают на 50% больше генетических продуктов, чем аутосомные зоны обычного мужчины, имеющего одну X- и одну Y-хромосому.
Не случайно и мужчины, и женщины, обладающие лишней X-хромосомой, обычно выше среднего роста, а женщины с недостающей X-хромосомой — ниже. Псевдоаутосомная зона содержит определенный ген, кодирующий белок[42],11 и контролирующий экспрессию других генов. Этот ген играет важную роль в развитии скелета, а особенно — длинных костей рук и ног. У мужчин и женщин с лишней X-хромосомой экспрессия этого гена выше нормы, в результате чего обычно увеличивается длина ног, а значит, и общий рост. У женщин с нехваткой одной X-хромосомы наблюдается обратная ситуация. Это один из немногих примеров, когда можно уверенно выявить отдельный регион человеческого генома, оказывающий существенное влияние на нормальный диапазон роста человека. Впрочем, рост находится и под влиянием многочисленных участков генома вне этого региона12, причем многие из них представляют собой участки мусорной ДНК, и мы пока не знаем, какой вклад каждый из них вносит в то, кем вы станете — баскетболистом из «Гарлем глобтроттерс» или коротышкой, которого трудно заметить в барной толпе.
Рис. 13.3. Влияние различного количества X-хромосом на мужские и женские клетки. Из-за X-инактивации в каждой клетке активна лишь одна X-хромосома. Но поскольку псевдоаутосомные зоны на обоих концах X- и Y-хромосом избегают X-инактивации, при изменении числа X-хромосом количество этих зон патологически возрастает или патологически уменьшается.
Глава 14. Проект ENCODE, или Как большая наука взялась за мусорную ДНК
Если вы когда-нибудь окажетесь в безлунную и безоблачную ночь вдали от огней большого города, раздобудьте одеяло, расстелите его на земле и, улегшись, посмотрите вверх, на звезды. Это одно из самых чудесных зрелищ, какие только можно себе вообразить. Особенно поражает оно тех, кто всю жизнь проводит в мегаполисе. Кажется, что серебристых блесток на черном бархате небес так много, что их и не сосчитать.
Но если у вас под рукой телескоп, вы поймете, что на небосводе много такого, чего не различишь невооруженным глазом. Взять хотя бы кольца Сатурна. И звезд вы обнаружите неизмеримо больше, чем могли бы себе представить. В мнимой черноте Вселенной куда больше объектов, чем можно разглядеть без помощи приборов. Это становится еще очевиднее, если применить оборудование, способное распознавать излучение, находящиеся за пределами диапазона видимых нами волн. К нам сразу потоком хлынет новая информация, поставляемая самыми разными волнами, от гамма-лучей до фонового микроволнового излучения. Эти звезды и прочие космические объекты столетия назад были там, где они находятся сейчас, просто мы не могли обнаружить их, используя лишь собственные глаза.
В 2012 году появилась масса статей, посвященных попыткам обратить своего рода телескоп на самые таинственные закоулки человеческого генома. Этой работой занялся консорциум ENCODE, объединивший усилия сотен ученых из самых разных исследовательских организаций. ENCODE — сокращение, которое расшифровывается как «Encyclopaedia Of DNA Elements» («Энциклопедия элементов ДНК»)1. При помощи самых чувствительных методов, доступных сейчас науке, исследователи изучали многочисленные свойства человеческого генома. Удалось проанализировать около 150 различных типов клеток. Получаемые данные объединяли, а затем обрабатывали по одной и той же схеме, чтобы корректно сравнивать информацию, полученную при помощи разных методик и технологий. Это очень важно, поскольку обычно чрезвычайно трудно сопоставлять наборы данных, получаемых и анализируемых независимо друг от друга. А ведь раньше нам приходилось опираться именно на такую мешанину результатов.
Публикация результатов, полученных в рамках проекта ENCODE, привлекла колоссальное внимание прессы, а также научного сообщества. Средства массовой информации запестрели заголовками типа: «Научный прорыв. Теория „мусорной ДНК“ генома опровергнута»2; «ДНК-проект интерпретирует „Книгу Жизни“»3 или «Международная армия ученых взламывает код „мусорной ДНК“»4. Надо сказать, что многие ученые действительно были приятно удивлены, увидя результаты, полученные в рамках проекта ENCODE, и теперь ежедневно используют их в собственных работах. Но возгласы одобрения звучали отнюдь не отовсюду. Критика раздавалась главным образом из двух научных лагерей. В первый входили «мусорные скептики», во второй — эволюционисты-теоретики.
Чтобы понять чувства, обуявшие ученых первой группы, обратимся к одному из самых амбициозных заявлений, приведенных в статьях ENCODE:
Иными словами, участники проекта ENCODE как бы заявляли: перед нами не темное небо, лишь менее чем на 2% занятое звездами. Они утверждали: небосвод нашего генома на четыре пятых заполнен всевозможными объектами. Причем большинство объектов — отнюдь не звезды (если считать, что звезды в этом сравнении — гены, кодирующие белки). Вероятно, это астероиды, планеты, естественные спутники планет, метеоры, кометы и прочие межзвездные тела, какие только можно себе представить.
Как мы видели, многие исследовательские группы уже и до этого приписали определенные функции каким-то из этих темных областей: вспомним промоторы, энхансеры, теломеры, центромеры, длинные некодирующие РНК (это лишь несколько примеров). Так что большинство ученых вполне устраивала идея, согласно которой в нашем геноме содержится не только эта небольшая доля генетического материала, кодирующая белки. Но 80% генома, обладающие функциями? Это казалось чересчур смелым заявлением.
Данные ENCODE многих поразили. Тем не менее их предвестием стали результаты многочисленных косвенных исследований, на протяжении предыдущего десятилетия проводившихся учеными, которые все пытались понять, отчего человек так сложно устроен. Над этой проблемой ломало голову немало специалистов и неспециалистов с тех самых пор, как выяснилось: полная расшифровка человеческого генома не выявила у человека большего числа генов, кодирующих белки, по сравнению с куда более простыми организмами. Исследователи проанализировали размеры части генома, кодирующей белки, у различных представителей царства животных, и процентную долю, которую составлял мусор в общем объеме генома. Результаты этого анализа (мы уже бегло коснулись их в главе 3) сжато показаны на рис. 14.1.
Как мы уже знаем, количество генетического материала, кодирующего белки, не очень-то соотносится со сложностью организма. Куда более убедительная зависимость существует между процентной долей мусора в геноме и тем, насколько сложно устроен носитель этого генома. Пытаясь интерпретировать этот факт, исследователи предположили, что различия между простыми и сложными существами порождаются главным образом именно мусорной ДНК. Возможно, это означает, что существенная доля мусорной ДНК все-таки обладает какими-то функциями6.
Поделиться книгой: