Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
Шрифт:
Теперь рассмотрим по отдельности структурные особенности разных семейств этих «прыгающих» время от времени элементов генома человека.
Семейство повторов по имени LINE
Как среди населения земли имеются многочисленные нации и меньшинства, так и в геноме одни повторы редки, а другие представлены большим числом копий. Основной представитель длинных диспергированных повторов генома человека — семейство повторов, получившее имя LINE (сокращенно от англ. long interspersed elements). Отличительная особенность этих повторов заключается в том, что они способны кодировать два белка-фермента, которые и принимают участие в перемещении их самих, а заодно они способны обеспечивать «перепрыгивание» и коротких диспергированных повторов (КДП). Это осуществляется главным образом за счет уже упоминавшегося фермента ревертазы. РНК, образующиеся после транскрипции LINE-повторов, превращаются в ДНК-копии, которые и встраиваются в новые места генома. В
Итак, в геноме человека источником активной ревертазы являются, по-видимому, ретротранспозоны L1, число копий которых достигает 100 тыс. Однако реально число активных перемещающихся копий составляет всего 30–60 тыс., тогда как остальные настолько повреждены, что не транскрибируются и, следовательно, уже не могут перемещаться.
Семейство повторов по имени Alu
Основную массу коротких диспергированных повторов (КДП) составляют так называемые Alu-повторы, которые занимают в ДНКовом тексте генома человека почти в 10 раз больше места, чем все последовательности, кодирующие белки. Свое название они получили по имени рестриктазы, для которой у них имеется определенный сайт. В сумме в геноме насчитывают около одного миллиона Alu-повторов. Такое их огромное количество не поддается нашему пониманию. Для чего они нужны? Ведь это относительно короткие повторы (около 300 п. н.), которые не способны кодировать никакие белки. Более того, разные члены семейства Alu-повторов не полностью похожи друг на друга, хотя родство между ними прослеживается однозначно (в среднем последовательности двух любых Alu-повторов сходны на 85 %). Считается, что этот вид повторов появился в ходе эволюции у приматов (и только у них) свыше 65 млн. лет назад. Попав в геном человека, Alu чудовищно размножились и причудливо расселились по разным хромосомам, то скапливаясь в некоторых местах, то перемежаясь с генами или даже влезая в некоторые из них. В частности, Alu-повторы нередко присутствуют в тех районах генов, которые транскрибируются при образовании мРНК, но не транслируются при синтезе белка. При этом, как число, так и расположение Alu-повторов в геноме может заметно отличаться у разных индивидуумов.
Большинство из диспергированных повторяющихся элементов ДНКового текста обладают способностью к перемещению в геноме. Свидетельства этому «перепрыгиванию» были получены, в частности, при сравнительных исследованиях структуры отдельных районов генома у человека и других близкородственных приматов. Более того, и сейчас продолжается время от времени регистрация перемещения отдельных повторов. Так, установлено, что Alu-повторы изредка встречаются у некоторых людей в тех местах генома, где у большинства других их нет. Один из таких ярких примеров — обнаружение внедрения Alu-повтора в ген фактора свертываемости крови VIII при такой патологии, как гемофилия А.
Итак, геном — это не застывшая ДНК, а динамическая структура, чем-то напоминающая атом. Последний имеет не только стабильное ядро, но и целый рой перемещающихся вокруг его элементов (в частности, электронов). Именно поэтому академик Г. П. Георгиев справедливо отметил, что «ген постоянен в своем непостоянстве»!
Стоит сразу оговориться, что перемещение транспозонов происходит крайне редко. Тем не менее его значимость для генома человека весьма велика и определяется, по-видимому, тем, что этот процесс продолжается безостановочно на протяжении многих тысячелетий. Можно думать, что в результате этого подвижные или мобильные элементы способны в ходе эволюции заметно «тасовать» текст Энциклопедии человека подобно тому, как игроки тасуют колоду карт.
Перечень подвижных элементов генома не ограничивается различными описанными выше диспергированными повторами. К таковым относятся и некоторые элементы, доставшиеся нам в ходе эволюции от таких простейших организмов, как вирусы и бактерии.
Вирусы — составная часть генома человека
Незримая борьба между человеком и такими «внутриклеточными паразитами», как вирусы, происходила на протяжении тысячелетий. Только после обнаружения вирусов Д. И. Ивановским в 1892 году человечество наконец-то распознало своего невидимого врага, который, проникая в клетку человека, использует все ее возможности в своих корыстных целях, тем самым нарушает нормальный метаболизм клетки и вызывает различные тяжелые патологии. Ряд вирусов обладает способностью внедряться в геном человека и по сути становиться как бы его собственными генами. В первую очередь это относится к так называемым ретровирусам. Они так были названы по своему образу жизни. Исходно геном этих вирусов представляет собой РНК. Но, попав в клетку, вирус на своей РНК с помощью обратной транскриптазы строит ДНК-копию (см. основную догму молекулярной биологии). После этого ДНК-копия вируса встраивается в геном клетки, что служит обязательным условием для жизненного цикла ретровируса. Встраиваемая в геном клеток человека ДНК-копия вируса была названа провирусом. Затем на провирусе синтезируются вирусные РНК, на базе которых образуются новые вирусные частицы. Таков жизненный цикл обычного ретровируса. Так ведет себя, например, хорошо известный ретровирус, получивший название вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), когда он инфицирует клетки крови.
Казалось, что все это есть проблема отдельных инфицированных клеток. И действительно, вирусы инфицируют в основном соматические клетки. Затем вирусы и провирусы погибают вместе с теми клетками, в которых они похозяйничали. Т. е. вирусы сами подготавливают и свою собственную смерть. Однако это не всегда так происходит. Очень редко в эволюции человека происходило инфицирование вирусами клеток зародышевого пути, образовывались провирусы, но организм выживал и внедренный провирус становился наследуемым элементом генома человека. Так в клетке появляется «лжепрограмма» (провирус), которая изменяет геном гораздо сильнее, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости.
Когда секвенировали геном человека и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами. Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2–3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами — названными длинными концевыми повторами (ДКП), — были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов. У человека они составляют довольно существенную часть — около 8 % генома. Такие элементы назвают часто эндогенными ретровирусами, в отличие от типичных ретровирусов, существующих в природе вне организмов (их называют экзогенными ретровирусами). Структура типичного эндогенного ретровируса (провируса) изображена на рис. 27 на цветной вклейке. Она напоминает структуру отдельных современных экзогенных ретровирусов (на рисунке вверху), хотя часто существенно отличается от них. Все-таки за миллионы лет древним провирусам трудно было остаться неизменными. Большая часть этих элементов представляет собой дефектные вирусные последовательности или даже отдельные их короткие фрагменты. Происходило это главным образом за счет накопления точечных мутаций и различных делеций. В частности, у многих эндогенных ретровирусов отсутствует ген env. Концевые участки ретровирусов, названные длинными концевыми повторами (ДКП), нередко существуют в геноме человека сами по себе, оторвавшись от своего эндогенного ретровируса в ходе эволюции и собственного перемещения по геному.
Рис. 27. Типичные структуры инфекционных и эндогенных ретровирусов, а также их отдельных элементов в геноме человека. ДКП — длинный концевой повтор (обозначен желтым цветом). Типичные гены ретровирусов — gag, pol, env. Черные горизонтальные линии — последовательности генома человека. Черные поперечные полосы в генах — мутации.
Мутации, накопившиеся в ходе эволюции в эндогенных ретровирусах, не позволяют им образовывать новые инфекционные вирусные частицы, как это происходит обычно в случае типичных экзогенных вирусов (например, вируса иммундефицита человека, вызывающего такое страшное заболевание, как СПИД).
Согласно проведенным оценкам, такие провирусы появились в геноме человека от 10 до 50 млн. лет назад в результате инфицирования зародышевых клеток наших предшественников и с тех пор передаются по наследству, как и все другие собственные элементы генома. Так «чужие» молекулы ДНК стали частью нашего генома. В сумме их насчитывается несколько десятков тысяч, они состоят из более 200 различных групп и подгрупп. Ретротранспозоны генома человека часто рассматривают как «ископаемые останки» древних ретровирусов.
Появление провирусов в геноме человека сродни процессу, который в лингвистике называют лексическим заимствованием. Во всяком языке имеются слова «свои» и «чужие» — те, которые пришли из других языков. Заимствование слов считается естественным ходом событий, необходимым для языкового развития. Возможно, и появление провирусов повлияло на ход становления человека как вида. По крайней мере известно, что число провирусов в геноме человека существенно больше, чем в геноме обезьян.
Итак, эндогенные провирусы являются «следами» от вирусов, которые инфицировали наших предков миллионы лет назад. Поселившиеся в геноме наших предков, они со временем потеряли способность образовывать новые вирусные частицы. Большинство таких «реликтовых» ретровирусов «молчит» (не функционирует). Однако сейчас уже установлено, что при определенных воздействиях на геном они могут «заговорить» и этим нарушить нормальный метаболизм в клетке. Таким образом, потенциально некоторые из них и по прошествии тысячелетий продолжают представлять потенциальную опасность для человека.