В человеческой ДНК по-прежнему много мусора

Если бы в нашем геноме было меньше бесполезного мусора, каждому из нас пришлось бы изрядно потрудиться на ниве размножения, чтобы избавить грядущие поколения от вредных мутаций.

Наша ДНК хранит информацию обо всех белках, которые составляют наше тело и которые выполняют в нем всю молекулярную работу: синтезируют липиды для клеточных мембран, переносят кислород, переваривают пищу и т. д.

Разнообразных молекулярных, клеточных, физиологических процессов в нашем теле происходит очень много, соответственно, белков – тоже огромное количество, и можно было бы ожидать, что геном человека доверху забит белковыми кодами. Однако на деле информационная часть в нашей ДНК, можно сказать, ничтожна – менее 2%.

Конечно, не стоит забывать про регуляторные последовательности – ведь гены должны включаться и выключаться в строго определенное время и в строго определенны обстоятельствах. Действительно, для регуляции генетической активности в ДНК есть специальные включатели-выключатели, которые опять же представляют собой особые последовательности нуклеотидов: они не кодируют никаких белков, но все же назвать их бессмысленными нельзя – без них генетическая машина просто не могла бы работать.

Наконец, в ДНК есть участки, которые кодируют разнообразные служебные РНК. Обычно про молекулы РНК говорят как про посредников между геном и белок-синтезирующей машиной: по сути, РНК представляет собой как бы оттиск с гена, и белок синтезируется именно на РНК-оттиске. Но это лишь одна из разновидностей РНК под названием матричная, или информационная РНК.

Есть и другие, которые работают сами по себе – одни, например, могут объединяться с белками и функционировать в виде огромных молекулярных комплексов (как рибосома), другие же выполняют регуляторные функции, управляя синтезом тех или иных белков. Однако даже с учетом всех таких случаев доля бессмысленного мусора, который ничего не кодирует и ничего не регулирует, в человеческой ДНК остается очень большой – около 90%.

Нельзя сказать, чтобы мы совсем не понимали, откуда этот мусор мог взяться. Есть на свете мобильные генетические элементы, или транспозоны, которые часто происходят от вирусов – мобильными их называют потому, что они могут копировать себя внутри генома, наводняя ДНК собственными «потомками».

 Транспозоны клетка старается обезвредить – если какой-нибудь из них прыгнет внутрь важного гена, все может закончиться очень печально. Так что генетический мусор во многом сформирован такими обезвреженными генетическими элементами. С другой стороны, в геноме есть много копий обычных, немобильных последовательностей, которые появились в результате особенностей работы молекулярных машин.

Копия гена может стать полезной, а может, наоборот нахватать столько мутаций, что полностью выходит из строя. Убрать же из генома мусор не всегда возможно: есть риск, что при этом исчезнет и кусок нужной ДНК, что совершенно недопустимо.

И все же не все биологи считают генетический мусор – мусором (при том время от времени появляются сообщения о том, что для какой-то очередной мусорной последовательности нашли некую функцию). Самую масштабную попытку придать мусору смысл предприняли несколько лет назад исследователи из международного проекта ENCODE («Энциклопедия элементов ДНК»), которые заявили, что 80% ДНК в нашем геноме функциональны, то бишь имеют смысл и необходимы для жизнедеятельности.

Работа наделала много шума, и сразу же после ее выхода в свет к проекту ENCODE выдвинули серьезную методологическую претензию. Суть ее в том, что ENCODE уж очень широко трактовали понятие функциональности. Исследователи оценивали полезность той или иной последовательности ДНК по нескольким критериям: она должна была давать РНК-копию, с ней должны были взаимодействовать регуляторные белки, на ней должны были быть регуляторные молекулярные метки, т. к. по логике ENCODE регуляции подлежит только то, что востребовано, то есть имеет некую полезную функцию.

Однако ни один из вышеуказанных признаков, по мнению скептиков, на самом деле не говорит о функциональности. В качестве наглядной аналогии можно предлагает представить сарай, набитый всяким хламом: мы можем время от времени заглядывать в него, перебирать то, что там свалено, видеть какие-то метки, вроде «не кантовать» или «огнеопасно», но это не значит, что мы этим пользуемся.

Один из самых активных критиков, Дэн Граур (Dan Graur) из Хьюстонского университета, заметил тогда, что исследователи из ENCODE вообще могли бы довести долю функциональной ДНК до 100%, а не до 80%, если бы взяли за критерий функциональности реплицируемость ДНК. Репликация – удвоение всей ДНК в клетке перед делением, во время размножения клетка передает полную копию генома дочерним клеткам, и почему бы отсюда не сделать вывод, что все это зачем-то нужно?

Однако против «тотальной функционализации» ДНК есть и другой, более простой аргумент, который Дэн Граур подробно описывает в своей последней статье в Genome Biology and Evolution. ДНК, как мы знаем, постоянно мутирует, как из-за ошибок наших собственных молекулярных машин, которые с ней работают, так и ввиду внешних причин, вроде УФ-излучения.

Мутации могут быть полезными, которые улучшают функцию какого-нибудь белка, нейтральными или же вредными, которые делают белок бесполезным, а то и опасным; то же касается и регуляторных последовательностей. Полезные мутации возникают намного реже, чем вредные и нейтральные. Конечно, в клетках работают специальные белки, которые исправляют погрешности в геноме, но и у них есть свой процент ошибок, так что какие-то дефекты все равно остаются с нами.

Родители передают детям полные копии своих геномов со всеми мутациями, которые они успели получить к тому времени. Если мутация оказалась вредной, ребенок может вообще не появиться на свет, или тяжело заболеть вскоре после рождения. Так или иначе, своего потомства он уже не оставит, а это значит, что вредная мутация исчезнет из популяции.

Относительный шанс имеют только умеренно вредные дефекты, которые дают шанс превратиться во взрослого человека и родить детей. Понятно, что если мутации вдруг по какой-то причине начинают случаться очень часто, у пары становится все меньше шансов родить здорового ребенка – или же, иначе говоря, им нужно очень постараться и предпринять как можно больше попыток, чтобы этот шанс реализовать.

Но вероятность родить здорового ребенка зависит не только от интенсивности мутационного процесса. Если мутации происходят, что называется, в штатном режиме, то стоит посмотреть, куда они попадают – в смысловую или мусорную последовательность.

Очевидно, что чем больше в геноме важных, функциональных последовательностей, тем больше вероятность того, что мутация сделает что-то не то. Таким образом, чем более «содержательна» ДНК, тем больше вероятность того, что здорового ребенка не получится. Именно в этом и состоит смысл работы Граура: он с коллегами посчитал, сколько детей должна родить одна пара, чтобы при стандартной интенсивности мутирования произвести на свет несколько здоровых детей – при условии, что весь геном функционален, важен и пр.

Так вот, число детей, которых при таких условиях вычистит естественный отбор, составляет 100 млн – это, подчеркиваем, от одной пары. Если же геном функционален не полностью, а на четверть, то каждая пара должна родить четырех детей, из которых двое доживут до взрослого возраста и родят собственное потомство; двое же других умрут из-за опасных мутаций, попавших в функциональные 25% ДНК.

В целом у нас есть вполне достоверные оценки того, как человек размножался в ходе своей эволюции, и, совмещая данные о человеческой плодовитости с интенсивностью мутаций, Граур с коллегами вычислил, что в нашем геноме «последовательности со смыслом» должны занимать от 8% до 14%. И с такими процентам согласны даже те, кто полагает, что мы найдем в нашей ДНК еще много участков, которые ничего не кодируют, но много чего регулируют – даже с такими будущими регуляторными последовательностями большая часть генома все равно останется мусорной.

При этом нельзя сказать, что наш нынешний генетический мусор так всегда и будет мусором. Может оказаться так, что какие-то из нефункциональных последовательностей в перспективе смогут обрести «смысл жизни», то есть превратятся в регуляторные элементы.

Да и в целом мусор может быть полезен именно своими размерами – он уменьшает вероятность того, что мутация попадет в важную область ДНК, или что пришлый вирус, способный встраиваться в хозяйский геном, встроится в очень нужный ген и тем самым нарушит его функции.

Что до проекта ENCODE, то им, если не считать слишком смелого вывода о 80-процентной функциональности генома, удалось сделать много нужного и полезного – в частности, исследователи ENCODE получили массу данных о том, как разные белки связываются с ДНК и как происходит регуляция генов.