Многие люди верят, что люди — это вершина творения и что наша ДНК чиста и совершенна. Многие люди ошибаются. Трудно представить геном более изогнутый и неполный, чем геном человека. Мы не только несем множество вредных мутаций, которые могут привести к тяжелым генетическим заболеваниям, но у нас также есть гены, которые делают нас похожими на крошечных круглых червей с 300 нейронами вместо мозга. % нашей ДНК — настоящий мусор.
Конечно, такая точка зрения вызывает горячие споры, и недовольны как креационисты, так и радикальные эволюционисты. Во-первых, дай нам безупречный план Божий, а во-вторых, дай нам мудрость природы для исправления наших недостатков. Мусорная ДНК — одна из тех редких тем, о которых даже уважаемые учёные говорят на личном уровне. Давайте рассмотрим, что называют мусором в нашем генетическом материале, существует ли он на самом деле и насколько он бесполезен.
Призрак геномного кладбища
Напомним, передача генетической информации основана на двухцепочечных молекулах ДНК. Он представляет собой полимер четырех типов нуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), цитозина © и гуанина (G) и располагается на хромосомах. Давайте вспомним урок биологии. У человека 23 пары хромосом, 22 пары неполовых хромосом и 1 пара половых хромосом, расположенных в ядре и составляющих основу генома. Если взять одну человеческую клетку, сшить все хромосомы вместе и вытянуть их в нить, получится двухметровая молекула из 6 миллиардов пар нуклеотидов. Мы унаследовали 3 миллиарда от отца и 3 миллиарда от матери.
Оказывается, люди действительно очень сложны. Наш геном состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов (поэтому наш генетический «текст» содержит в 1000 раз больше букв, чем «Война и мир»). Однако есть нюансы. У некоторых двоякодышащих рыб, называемых протоптерами, геномы в 44 раза длиннее нашего. Почему? Почему рыба, которая у многих европейцев и американцев обитает в домашних аквариумах и очень неприхотлива в еде, имеет более длинный геном, чем «Венец творения»? Этот вопрос глубоко беспокоит биологов и других ученых. Давайте разберемся, как работает геном.
Наш геном содержит удивительный набор генов. Проще говоря, ген — это последовательность нуклеотидов узнаваемых символов. Это похоже на очень длинное предложение (обычно гены состоят из тысяч или даже десятков тысяч букв). Представьте, что ваш геном — это большая книга рецептов, а ваши гены — это отдельные рецепты блюд. У человека имеется большое количество белков, десятки тысяч различных, которые выполняют множество полезных функций в организме (мой любимый — алкогольдегидрогеназа). Белок — это сама пища, приготовленная по рецепту генома. Наиболее важными частями ДНК являются гены, кодирующие белки. Из этих генов считываются молекулы РНК (множество копий отдельных рецептов), служат инструкциями для синтеза белков и определяют их аминокислотные последовательности.
Было время, когда ученые считали, что такое сложное существо, как человек, должно иметь множество генов. До того, как геном человека был секвенирован, ученые даже проводили лотерею, чтобы узнать, сколько генов можно открыть. Назывались цифры до сотен тысяч. Трое ученых выиграли пари, и один из них назвал число 27462 (дату своего рождения). Позже он объяснил свою логику следующим образом: «Это был ночной бар. Я наблюдал за поведением людей, употребляющих алкоголь, и подумал, что оно очень похоже на поведение плодовой мухи, у которой 13 500 генов. Таким образом, число генов, которые у мухи есть у человека, равно 2». Двойного мне показалось достаточно»
Многие биологи были удивлены, когда выяснилось, что человек и небольшой круглый червь Caenorhabditis elegans имеют почти одинаковое количество генов. У C elegans около 20 000 генов, а у человека 20-25 000 генов, что является довольно сомнительным фактом для «Венца творения». В частности, более крупные геномы (как уже говорилось, геномы протофитов в 44 раза больше, чем у нас с вами) и больше генов (у риса Oryza sativa от 32 000 до 50 000 генов).
Но на самом деле белки кодируют менее 2% генома человека. Зачем нам остальные 98%, может быть, они скрывают тайну нашей уникальности? Или это сложно? Все оказалось более приземленным. В ДНК есть важные некодирующие части. Например, это участки промотора, куда поступает фермент РНК-полимераза и из которых начинается синтез молекул РНК. Это сайты связывания факторов транскрипции, то есть белков, регулирующих функцию генов. Это теломеры, защищающие концы хромосом, и центромеры, необходимые для правильного разделения хромосом на разные полюса клетки при делении. Известно несколько регуляторных молекул РНК, а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментных комплексов (таких как рибосомальная РНК). Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.
Но, к сожалению, оказывается, что большая часть нашего генома напоминает пустыню. Повторяющиеся последовательности, остатки «мертвых» вирусов, когда-то встроенных в геномы наших предков, так называемые «эгоистичные мобильные элементы» — последовательности ДНК. Возможен переход с генома одного сайта на различные псевдогены другого — нуклеотидные последовательности, утратившие в результате мутаций способность кодировать белки, но все же сохраняющие некоторые характеристики гена. Это далеко не полный список «призраков», живущих на «кладбище геномов».
Сколько «мусорной» ДНК содержится в нашем геноме?
Существует мнение, что большая часть генома человека нефункциональна. В 2004 году в журнале Nature была опубликована статья, описывающая мышь, в геноме которой были вырезаны значительные фрагменты некодирующей ДНК размером 1,5 миллиона и 800 000 нуклеотидов. Авторы показали, что эти мыши ничем не отличались от нормальных мышей по строению тела, развитию, продолжительности жизни и способности к размножению. Конечно, некоторые различия могут остаться незамеченными в лаборатории, но в целом это был серьёзный аргумент в пользу существования «мусорной ДНК», от которой можно избавиться без каких-либо особых эффектов. Конечно, было бы интересно вырезать не миллионы, а миллиарды нуклеотидов, оставив только предсказанную последовательность генов и известные функциональные элементы. Возможно ли разработать такую «минимальную мышку»? И сможет ли она нормально существовать? Могут ли люди обойтись геномом длиной «всего полметра»? Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем.
С другой стороны, еще одним важным аргументом в пользу существования мусорной ДНК является существование довольно похожих организмов с совершенно разными размерами генома. Геном рыбы-фугу имеет примерно такое же количество генов, но примерно в восемь раз меньше генома человека и в 330 раз меньше генома протоптерокрылых рыб. Если все нуклеотиды в геноме функциональны, то уместны следующие вопросы: Зачем луку геном в пять раз больше, чем у вас или у меня?
Однажды биолог-эволюционист Сусуму Оно заметил большую разницу в размере генома похожих организмов. Считается, что Оно придумал термин «мусорная ДНК». Оказывается, в 1972 году, задолго до того, как геном человека был секвенирован, у нас было правдоподобное представление как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора», который в нем содержится. В своей статье «Так много мусорной ДНК в нашем геноме» он утверждает, что в геноме человека должно быть около 30 000 генов. Как мы узнали десятилетия спустя, эта цифра была близка к истине, но в то время она была совсем не очевидна. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной части генома (6%) и заявляет, что более 90% генома человека является мусором.
Оно основывал свои выводы на оценках количества мутаций, происходящих в геноме человека в каждом поколении. Если бы весь геном был функциональным, в каждом поколении было бы слишком много вредных мутаций, с которыми не мог бы справиться естественный отбор.
Обратите внимание: Ответ на пост «Почему грузовые дирижабли не стали коммерчески успешны?».
Даже если бы у вас было 10 детей, каждый из которых несёт в среднем по 50 вредных мутаций, велика вероятность, что ни один из них не оказался бы здоровым. Будут проблемы с эволюцией.«Даже университетский комитет не мог сделать что-то настолько плохое»
Идея существования мусорной ДНК была оспорена проектом ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК). Авторы получили обширные экспериментальные данные о том, какие части человеческого генома взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции и других биохимических процессах, и обнаружили, что более 80% человеческого генома так или иначе функционально.Я пришел к выводу, что Разумеется, эта статья вызвала бурную дискуссию в научном сообществе.
Одна из самых циничных статей, критикующих этот вывод консорциума ENCODE, называется «О бессмертии телевидения: «функция» человеческого генома согласно Евангелию ENCODE без эволюции». Статья начинается эпиграфом биолога-эволюциониста Дэвида Пенни:
"Я очень горжусь тем, что являюсь частью комитета, разработавшего геном кишечной палочки. Однако я никогда не признаюсь, что работал в комитете, разработавшем геном человека. Ничего страшного сделать нельзя».
Авторы отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся во мнениях относительно того, какая часть генома функциональна. Так один из них позже уточнил, что речь шла примерно о 40% функциональных последовательностей в геноме, а не о 80%, а другой вообще снизил эту цифру до 20%, хотя при этом термин продолжал утверждать, что : «Мусорную ДНК» необходимо «удалить» из словаря. Это породило шутку о том, что придумали новую арифметику: 20% больше 80%.
По мнению авторов статьи, члены консорциума ENCODE довольно либерально трактуют термин «функция». Например, есть белки, называемые гистонами. Они связываются с молекулами ДНК и помогают им сворачиваться в компактные размеры. Гистоны могут подвергаться определенным химическим модификациям. Согласно ENCODE, одна из предполагаемых функций таких модификаций гистонов заключается в том, что они «предпочитают находиться на 5'-конце генов» (на 5'-конце ферменты ДНК и РНК-полимеразы копируют ДНК) перемещается от него во время репликации или во время транскрипции). «Это все равно, что сказать, что функция Белого дома — оккупировать землю по адресу Пенсильвания-авеню, 1600 в Вашингтоне, округ Колумбия», — заявили ученые.
Также возникают проблемы при присвоении функций участкам ДНК. Предположим, что ENCODE присваивает «функцию» участку ДНК, поскольку он связан с важным белком. Известно, что определенный белок (фактор транскрипции) связывается с последовательностью оснований TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA, расположенные в разных частях генома. Когда фактор транскрипции связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, которая служит матрицей для синтеза важных белков. Мутации в этой последовательности могут привести к недостаточному считыванию РНК и синтезу белка, что может оказать негативное влияние на выживаемость организма. Следовательно, такая последовательность TATAAA будет сохраняться в геноме путем естественного отбора, и в данном случае уместно говорить о ее функции.
Вторая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку он идентичен первому, с ним также связывается транскрипционный фактор. Но поскольку генов поблизости нет, связывание ничего не вызывает. Мутации в этом регионе ничего не меняют и не оказывают никакого влияния на организм. В этом случае говорить о функционале раздела ТАТААА бессмысленно. Однако наличие большого количества последовательностей TATAAA в геноме вдали от генов может оказаться просто необходимым для связывания факторов транскрипции и снижения их эффективных концентраций. При этом количество таких последовательностей в геноме находится в стадии выбора.
Чтобы доказать, что определенная часть ДНК функциональна, недостаточно показать, что в этой области происходит какой-то биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что эту функцию обеспечивает часть ДНК, участвующая в транскрипции. «Но зачем акцентировать внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, когда мы можем сказать, что 100% генома участвует в воспроизводимом биохимическом процессе, а именно репликации?» — снова шутят над учеными их коллеги.
Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в этом участке настолько вредны, что никаких существенных изменений в этом участке не наблюдается от поколения к поколению. Как мы можем определить такие области?В этом может помочь биоинформатика. Мы можем взять геномы человека и мыши и найти все участки ДНК, которые в них схожи. Оказывается, некоторые части нуклеотидных последовательностей у этих двух видов очень похожи. Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, высококонсервативны. То есть эти мутации настолько вредны, что носители новых мутаций вымирают, не оставляя потомства. Говорят, что такие гены подвергаются негативному отбору, который удаляет вредные мутации. Существуют значительные различия между видами в других регионах генома, что указывает на то, что мутации в этих регионах, вероятно, будут безвредными. Это означает, что его функциональная роль как минимум невелика или не определяется конкретной нуклеотидной последовательностью.
Это напоминает мне историю о математике Абрахаме Вальде и самолете. Во время Второй мировой войны Уолду было поручено проанализировать статистику пулевых отверстий на самолетах, возвращающихся с миссий, чтобы оптимизировать их броню. Это была простая логика генералов. Области с большим количеством отверстий необходимо укрепить. Однако Вальд пояснил, что, наоборот, необходимо укреплять участки, где дыр не видно. Ведь мы наблюдаем необъективный отбор самолетов. Самолеты с пробоинами в других местах не вернулись. Та же логика применима к мутациям (пулевые отверстия) и геномам (самолеты).
Во многих исследованиях оценивалась доля областей ДНК человека, находящихся под отрицательным селективным давлением. Оказывается, этому подвержено лишь около 6,5–10% человеческого генома и что некодирующие области, в отличие от кодирующих, гораздо менее подвержены негативному отбору. С точки зрения эволюционных стандартов менее 10% генома человека признано функциональным. Обратите внимание, как близко Оно было в 1972 году!
Время от времени возникает ощущение, что ученые расшифровали функцию какой-то части ДНК, которая раньше считалась мусором. Но в большинстве случаев здесь имеется в виду не мусорная функциональность, а скорее некодирующая функциональность ДНК. Как упоминалось ранее, примерно 1% генома человека кодирует белки. Оказывается, от 5,5% до 9% генома не является мусором и не кодирует белки. Функции столь важной, но некодирующей ДНК, безусловно, все еще изучаются (а в некоторых местах остаются загадочными). Но некодирующую ДНК не следует путать с мусорной ДНК.
О пользе большого генома
Означает ли это, что оставшиеся 90% человеческого генома — полный мусор, и от чего лучше избавиться? И существует общепринятое мнение, что правильнее использовать термин «мусор», а не «хлам». Мусор – это что-то вредное, а хлам – это, например, старый, слегка проржавевший велосипед, который стоит в гараже и им никто не пользуется, но он никого не беспокоит. Кроме того, существует мнение, что сам по себе большой размер генома может быть полезным. Например, вирусы и различные эгоистичные самокопирующиеся элементы ДНК могут интегрироваться в разные участки хромосом человека. Если такая интеграция происходит в важном гене, это проблема, но если она происходит в «мусорной» ДНК, это не проблема.
У бактерий репликация генома является критическим ограничивающим фактором, препятствующим эффективному размножению. Поэтому их геномы обычно небольшие и лишены всего ненужного. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК в делящихся клетках не вносит существенного вклада в общие энергетические затраты организма из-за затрат, связанных с функционированием мозга, мышц, органов выделения и поддержанием температуры тела, и так далее. В то же время большие геномы могут быть важным источником генетического разнообразия, увеличивая вероятность того, что новые функциональные области возникнут из нефункциональных областей в результате мутаций в ходе эволюционного процесса. Мобильные элементы могут передавать регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции функции генов. Следовательно, организмы с большими геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям окружающей среды с относительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Хотя этот эффект не наблюдается у отдельных организмов, он может играть важную роль на популяционном уровне.
Усилия консорциума ENCODE заслуживают должного признания. Конечно, идея о том, что 80% или даже 20% человеческого генома являются функциональными, дискуссионна, но это не означает, что весь проект ENCODE открыт для критики. ENCODE собрала множество данных о том, как различные белки связываются с ДНК, информацию о регуляции генов и многое другое. Однако вряд ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме, то есть как от понятий, так и от самих ненужных последовательностей.
Рекомендации ↗
[my] Ученый-исследователь Наука Наука Эволюционная генетика ДНК Геном Генная инженерия Наука PRO Биология Александр Панчин Видео YouTube Длинный пост 58Больше интересных статей здесь: Наука и техника.
Источник статьи: «Мусор» в нашей ДНК, Или почему человек — не венец творения.