Мусорная ДНК

Геном - это вся ДНК организма, полный набор хромосом со всеми генами. У многих видов, в том числе у человека, лишь небольшая часть генома кодирует белки. Некодирующую часть ДНК иногда сравнивают с загадочной темной материей и называют «мусорной». Но действительно ли она бесполезна?

Ваш геном в пять раз меньше генома лука — поразительный факт, в котором нет никакого смысла, если считать, что более сложный организм должен иметь ДНК покрупнее. На самом деле, если мериться геномами, овощи часто выигрывают у более сложных созданий, — этот парадокс канадский генетик Т. Райан Грегори назвал «луковым тестом». Его еще называют «парадоксом гаплоидной величины». В 1971-м гарвардский медик С.А. Томас-мл. заметил, что размер генома не отражает биологической сложности организма.

ДНК и сложность организма не связаны напрямую между собой еще и потому, что в геноме есть не имеющие практической пользы участки — мусорная ДНК. Термин «мусорная ДНК» появился еще в 1960-е, но широко распространился в 1972-м — благодаря японскому генетику Сусуму Оно. Тот считал, что если бы все «буквы» в последовательности ДНК несли определенную нагрузку, то мутаций было бы неизмеримо больше, что неизбежно привело бы к катастрофе. Как сказал Оно, «Земля усеяна останками вымерших видов. Удивительно ли, что наш геном усеян остатками вымерших генов?».

Эгоистичная ДНК

В 1953 году американский генетик I Барбара Мак-Клинток опубликовала результаты своих наблюдений за поведением хромосом в зернах кукурузы — во время деления клетки части хромосом перемещались. Это открытие оставалось без внимания до 1960-х, когда аналогичные процессы были обнаружены и у других организмов. В 1980-м несколько видных ученых предположили, что значительная часть ДНК в геноме сложных организмов «эгоистична». Перескакивающие с места на место участки ДНК, «прыгающие гены» (сегодня их называют транспозоны) — один из примеров подобной эгоистичности. Некоторые фрагменты паразитической эгоистичной ДНК могут перемещаться по всему геному, другие же теряют эту способность и оказываются относительно безвредными для носителя.

I Барбара Мак-Клинток

Первый вариант полного генома человека, опубликованный в 2001 году, предполагал, что 45% нашего генома составляют именно транспозоны. Более того, мутации меняют древние последовательности ДНК до неузнаваемости: по последним оценкам, транспозоны составляют от половины до двух третей нашего генома. У кукурузы их и вовсе около 90%. Это различие неплохо объясняет «луковый» парадокс.

Некодирующая ДНК

В нашем геноме 3,2 миллиарда «букв». В распечатанном виде — даже крошечным шрифтом — он занял бы целый книжный шкаф от пола до потолка, плотно набитый толстыми томами. У нас около 20 000 генов — последовательностей ДНК, кодирующих белки, — но они составляют лишь 1,2% всего генома. Остальные 98,8% — так называемая некодирующая ДНК. Но некодирующая вовсе не значит «мусорная», бесполезная. Представьте себе геном в виде огромной свалки автомобилей. Работники прибывают на работу в своих машинах, так что некоторые из припаркованных на территории машин — точно не мусор, а находятся в рабочем состоянии, применительно к ДНК — «кодируют». А что же с остальными машинами? Некоторые — явный металлолом, другие еще можно пустить на запчасти, а некоторые вообще могут быть вполне нормальными автомобилями, просто их припарковали в тот момент, пока вы отвлеклись. Единственный способ удостовериться — проверить каждую машину. Иначе можно не только выбросить хорошую вещь, но и допустить противоположную ошибку (которую допускают креационисты) — решить, что раз на свалке обнаружился один уцелевший автомобиль, то и всю свалку нужно сохранить.

Функциональная ДНК

Помимо генов, кодирующих белки, ДНК содержит также гены, определяющие РНК. Известны те, что производят молекулы тРНК, транслирующие генетический код, но многие другие не менее важны, поскольку мутации в генах РНК часто являются причиной заболеваний. В ДНК содержатся и механизмы, регулирующие экспрессию, например генетические «переключатели». Так какая часть некодирующей ДНК действительно используется? По этому вопросу среди ученых нет единого мнения.

Один подход, которым пользуются генетики, требует сравнения геномов двух видов — например, человека и другого млекопитающего — и вычисления доли сохранившейся за время эволюционного развития ДНК. Получается от 5 до 9 процентов. Другой подход—изучение взаимодействий ДНК с другими молекулами. Самой масштабной попыткой использования этого подхода был проект ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК). В 2012 году сотрудники ENCODE пришли к выводу, что 80% генома обладают той или иной значимой биологической функцией. Но многие биологи подвергли этот вывод критике, поскольку его авторы использовали довольно свободное определение понятия «функция», близкое скорее к «биологической активности», чем к полезности ДНК для организма.

Безвредная ДНК

Ложные представления о «бесполезности» среди широкой публики, журналистов и даже ученых связаны в основном с неточной терминологией. Бесполезная ДНК не обязательно представляет собой «мусор» или «отходы». В 1998 году эту идею выразил южноафриканский генетик Сидней Бреннер: «Бывает мусор, который мы храним, хлам, и мусор, который мы выбрасываем, отбросы. Избыточная ДНК в нашем геноме — хлам, и от нее до сих пор не избавились, потому что она безвредна».

«Людям неуютно от мысли, что значительная часть их ДНК не имеет ценности» Сидней Бреннер

Сидней Бренер

В 2015-м эволюционный биолог Дэн Траур расширил идею Бреннера, предложив классификацию ДНК на основе ее воздействия на организм — повлияет ли удаление участка ДНК на жизнедеятельность и размножение, то есть «замечает» ли ее естественный отбор. Он выделил четыре категории ДНК: «буквальная», несущая информацию, то есть гены, кодирующие белки, РНК и элементы управления; индифферентная, функциональная в силу своего присутствия, как пустая страница, отделяющая главы в книге одну от другой; бесполезная, не приносящая ни вреда ни пользы, и, наконец, мусорная ДНК, наносящая вред организму.

Дэн Траур

Почему организм не избавляется от ДНК-хлама? Потому что на приспособленность он никак не влияет. Если безвредный участок некодирующей ДНК по тем или иным причинам начинает вредить, естественный отбор от него постепенно избавляется. Как объясняет Сидней Бреннер, «если бы лишняя ДНК стала проблемой, она исчезла бы под воздействием естественного отбора. Как и в случае с домашним хламом — если его накапливается слишком много или он начинает вонять, жена, великолепный инструмент естественного отбора, немедленно от него избавляется».

Вариации числа копий

Мы вовсе не идентичны на 99,9%. Эта цифра получена сравнением двух не родственных друг другу индивидов и подсчетом небольших различий вроде подмены одного нуклеотида. В 2004 году Чарлз Ли и Майкл Виглер независимо друг от друга открыли, что геном человека содержит значительное количество вариаций числа копий генов (copy number variation (CNV)): довольно обширные участки ДНК могут быть удалены или продублированы. Значит, разница между двумя индивидами, продолжая аналогию с книгами, не в нескольких буквах, а в вырезанных или добавленных страницах и целых главах. Результат этих несовпадений может быть очень разным - его может вообще не быть, могут измениться отдельные черты организма, а может развиться серьезное заболевание. Например, некоторым по наследству от каждого из родителей достается одна копия гена амилазы - фермента, отвечающего за переваривание крахмала, а у других их может быть до 16.

В 2015 году Стефан Шерер сравнил ДНК здоровых представителей разных народностей, пытаясь добавить информацию о вариациях числа копий в энциклопедию человеческого генома, и обнаружил, что порядка 100 генов могут вообще отсутствовать без всякого негативного эффекта. Генетическое картирование показывает, что 5-10% генома состоит из копий одних и тех же участков, то есть разница между людьми составляет вовсе не 0,1%.