Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
Шрифт:
Выяснилось, что отдельные члены семейства ретровирусов сохранили способность синтезировать РНК, а также обладают склонностью к рекомбинациям и перемещению в геноме. Так, анализ эндогенных провирусов генома человека позволяет заключить, что отдельные из них являются копиями, появившимися в результате так называемой ретропозиции. Ретропозиция — это процесс появления новых копий в геноме не за счет нового инфицирования вирусом, а в результате транскрипции уже имеющегося в геноме провируса. Сначала образуется вирусная РНК-копия, затем на ней с помощью обратной транскрипции образуется ДНК-копия, и уже она внедряется в новое место в геноме. Другие элементы эндогенных провирусов, обнаруживаемые в геномах современных людей, возникли в результате рекомбинаций, таких, как, например, рекомбинации между концами провирусов, что привело к исчезновению внутренних участков
В геноме человека эндогенные ретровирусы встречаются во многих местах, но их распределение по хромосомам не совсем равномерное. Имеются участки, обогащенные ими, и в то же время некоторые области хромосом человека не содержат подобные элементы. Иногда отмечают, что местонахождение эндогенных ретровирусов и их производных коррелирует с распределение генов в геноме. Часто они располагаются в регуляторных областях генов. И в этом ученые усматривают особый смысл: регуляторные элементы эндогенных ретровирусов могут вмешиваться в регуляцию работы обычных генов человека.
Академик Е. Д. Свердлов считает, что вирусы могли сыграть решающую роль в «очеловечивании» обезьяны. Возможно, что в процессе эволюции молекулы ДНК человека включили в свой состав уже готовые фрагменты генетического материала вирусов с одной лишь целью — облегчить конструирование собственных генов для кодирования новых признаков. Включение генетического материала вирусов в геном человека служит еще одним подтверждением универсального характера молекул ДНК, имеющихся у всех живых существ — от самых простейших организмов вплоть до человека.
Еще одна группа спонсоров человеческого генома (ДНК-транспозоны)
В результате секвенирования ДНК человека был раскрыт еще один секрет генома. Кроме вирусов, проникших в наш геном извне и со временем сильно размножившихся там, заметную часть генома человека составляют и гены, пришедшие к нам от других наших постоянных симбионтов — бактерий. В геноме человека содержится множество так называемых ДНК-транспозонов. Они в сумме составляют около 3 % генома человека и представлены в нем примерно 300 000 копиями, которые в свою очередь подразделяются на 7 разных классов. Все они по своей структуре очень напоминают ранее обнаруженные перемещающиеся элементы у бактерий — бактериальные транспозоны. Сходство выражается в первую очередь тем, что ДНК-транспозоны человека, как и бактериальные транспозоны, способны кодировать специальный фермент транспозазу, который и обеспечивает их подвижность.
Кроме бактериальных транспозонов, в геноме человека содержится свыше 220 генов, доставшихся нам «в наследство» непосредственно от бактерий, обитающих у нас в кишечнике. Половина из этих генов широко распространена в разных видах бактерий, но среди эукариот встречается только у позвоночных. Теперь стало окончательно ясно, что бактерии, также как и вирусы, внесли свой вклад в формирование генома современного человека. Все это, по-видимому, есть результат длительного сожительства человека с бактериями, когда при некоторых случайных событиях гены бактерий попали в геном человека и там закрепились. Мы давно знаем, что в нашем кишечнике живет много разных видов бактерий, которые не только для нас не вредны, но, наоборот, полезны, так как они служат поставщиками ряда биологически активных продуктов (в частности, некоторых витаминов). Перенос генов «по горизонтали», т. е. от одного вида организма в другой, в принципе был известен давно. В частности, он активно реализуется между разными видами бактерий.
Но то, что он столь масштабно выражен и между геномами таких эволюционно далеких организмов, как человек и бактерии, безусловно, стало для исследователей полной неожиданностью. Интересно, что гены, доставшиеся человеку от бактерий, содержат, как и многие другие, интроны. Последних нет у бактерий. Следовательно, в процессе эволюции после переноса бактериальных генов в геном человека произошло еще одно событие: в состав «бактериальных» генов, ставших генами человека, внедрились дополнительные нуклеотидные последовательности, которые теперь являются интронами.
Гены, доставшиеся человеку от бактерий, не случайно сохранились в геноме. Многие из них играют важную роль в метаболизме ксенобиотиков (чужеродных для человеческого организма веществ) и в ответе клеток на стресс. Можно отметить один из таких генов — ген МАО, кодирующий белок, на который направлено действие разных психофизиологических лекарств. Следовательно, приобретение по крайней мере некоторых из бактериальных генов дало человеку определенные селективные преимущества.
На этой почве существуют разные спекуляции. Одна из них изложена 3. Ситчиным в своей книге «Генезис пересмотренный и космический код». Согласно его рассуждениям, некие пришельцы из космоса по имени аннунаки прибыли на 3емлю приблизительно 450 тысяч лет назад. Они высадились на 3емлю в поисках полезных ископаемых, и им понадобилась рабочая сила. Рабочих решили не привозить издалека, а слегка усовершенствовать существовавшего тогда на 3емле гоминоида, добавив ему некоторые гены более «продвинутых» аннунаков. И космические генные инженеры внесли в геном гоминоида те гены, которые мы теперь называем бактериальными. А бактерии потом приобрели их от нас. Сформулировано, конечно, красиво, однако весьма напоминает фантастический роман.
В любом случае, геном человека представляет собой некое собрание генов, которые достались человеку от их предков, и генов, которые явно ведут свое происхождение от неродственных организмов — вирусов и бактерий. То есть можно сказать, что наш геном — это книга, в которой отдельные «предложения» заимствованы из других независимо написанных источников.
Нуклеотидные последовательности — «близнецы»
В результате секвенирования генома человека в нем, наряду с типичными повторяющимися элементами, были обнаружены протяженные нуклеотидные последовательности, которые представлены всего в двух-пяти копиях. Чаще всего эти копии очень похожи друг на друга, как близнецы (сходство по последовательности достигает 99 %). Общее количество таких элементов в геноме человека составляет порядка 5 %. Это значительно больше, чем в других секвенированных к настоящему времени геномах, таких, например, как червь и дрозофила. Появление в геноме ДНКовых текстов-близнецов связывают с процессом, названным сегментальной дупликацией, то есть случайным удвоением отдельных сегментов генома. Размер таких «близняшек» составляет от 1 до 200 тыс. п. н. Последовательности-близнецы иногда располагаются на одной и той же хромосоме, а иногда присутствуют на совершенно разных хромосомах. Например, геномный сегмент X-хромосмы размером 9,5 тыс. п. н., известный как участок, ответственный за развитие адренолейкодистрофии, присутствует практически в неизмененном виде на хромосомах 2, 10, 16 и 22. А в хромосоме 17 имеется пять копий одного сегмента размером 200 тыс. п. н., которые разделены между собой довольно длинными последовательностями. При анализе разных хромосом выявилось, что дуплицированные последовательности распределены по ним не равномерно. Больше всего их имеется в Y-хромосоме, а менее всего в хромосоме 7. Неравномерно они распределены и вдоль хромосом, концентрируясь в районах центромер и теломер. Предполагается, что появление последовательностей-близнецов может быть связано с эволюционным процессом и приводит к увеличению разнообразия белков за счет «тасования» уже существующих экзонов.
В таблице 4 даны суммарные данные о содержании разных видов последовательностей в геноме человека.
Таблица 4. Нуклеотидные последовательности, входящие в состав генома человека
Имеется ли в геноме «эгоистичная» ДНК?
Когда полностью секвенировали довольно крупный геном круглого червя С. elegans, то обнаружили, что в нем 27 % нуклеотидных последовательностей кодируют структурные белки, 26 % принимают участие только в начальной стадии кодирования и в дальнейшем от синтеза белка отстраняются (интроны), а оставшиеся 47 % приходятся на повторы и межгенные участки, которые в кодировании белков не участвуют и в настоящее время представляются нам «лишним» материалом. При сравнении этих данных с геномами животных, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы, выяснилось, что чем сложнее устроен организм, тем меньше в его геноме доля кодирующих участков и тем больше в нем доля непонятной для нас информации. И больше всего ее в геноме человека. На первый взгляд это выглядело парадоксально.