Краткая история всех, кто когда-либо жил. История человечества, рассказанная через наши гены - Адам Резерфорд

Когда-то я исследовал ген CHX10, который у млекопитающих участвует в формировании глаз. Он активируется сразу после формирования общей структуры глаза: у мышей – примерно через 10 дней после зачатия, у человека – примерно через 10 недель. В это время CHX10 запускает программу, заставляющую делиться будущие клетки сетчатки. Эти клетки располагаются между внешней поверхностью глаза и хрусталиком. Если CHX10 поврежден, глаза зародыша развиваются неправильно, и ребенок родится слепым с сощуренными и глубоко посаженными глазами; это состояние называют микрофтальмией.

Кодируемый геном CHX10 белок не имеет в организме никаких других функций, кроме как заставлять работать другие гены в этот ответственный период эмбрионального развития. Это не фермент, ускоряющий переваривание пищи, и не структурный белок кожи, кости или волоса, он не переносит кислород в крови и не превращает фотоны света в электрические сигналы в головном мозге. Белок CHX10 упакован в виде ленты с прорезью на одной стороне. Смысл этой прорези (и, вообще говоря, всего белка CHX10) заключается в том, чтобы садиться на последовательность ДНК. Белок связывается только с определенной последовательностью ДНК, содержащей восемь букв: TAATTAGC. Эта последовательность – не ген, но находится рядом с геном, обычно перед его началом, и связывание CHX10 заставляет ген «включиться». Ген CHX10 относится к семейству так называемых транскрипционных факторов, задача которых заключается в регуляции работы других генов путем их включения и выключения. Обычно гены действуют каскадами, особенно в процессе эмбрионального развития, и следуют генетическим инструкциям: «эта группа клеток станет глазом», «эта часть глаза станет сетчаткой», «эта часть сетчатки должна стать палочками и колбочками» или, напротив, «эта часть не будет содержать фоторецепторов». Подобные каскады контролируются другими генами, находящимися ниже на иерархической лестнице, и на каждом этапе клетки удаляются от своего исходного состояния бесконечного потенциала возможностей в сторону усиления специализации: «Вы не просто клетки мозга, вы фоторецепторные клетки, способные распознавать только определенный свет, который мы называем голубым». Транскрипционные факторы можно сравнить с управляющими большими строительными проектами, которые смотрят на карту, выбирают конкретный участок и командуют: «Это строим здесь». Конечно же, транскрипционные факторы кодируются генами, но активируемые ими переключатели – нет, и таких последовательностей, рассеянных по всему геному, существуют тысячи.

Кроме того, внутри последовательностей генов находятся некодирующие участки, интроны. Интроны есть во всех человеческих генах, причем зачастую последовательности интронов длиннее последовательности самого гена. Странный принцип – разбивать осмысленный текст xxxxxxxxxx таким количеством yyyyyy бессмысленных фрагментов zzzzz, и я не перестаю удивляться, что клетки умеют их удалять, превращая основной код ДНК сначала во временную версию кода в форме РНК, а затем в полностью функциональный белок.

Еще в геноме есть псевдогены: когда-то они были рабочими генами, но в процессе эволюции их функция оказалась не нужна, и на них стал действовать отрицательный отбор. Сначала они подверглись мутациям, как происходит со всякой ДНК, но это не оказало заметного влияния на функции организма, и они так и остались в таком виде, постепенно разрушаясь. Мы знаем, что когда-то это были важные гены, поскольку другие организмы все еще их используют. У китов, воспринимающих запахи только на поверхности воды, сохранились обломки сотен генов обоняния, которые до сих пор в ходу у собак и мышей. Нам, с нашим образом жизни, многие гены обонятельных рецепторов тоже оказались не нужны, и они медленно ржавеют в нашем геноме.

Также в геноме есть длинные последовательности ДНК, которые представляют собой лишь повторы. Также есть длинные последовательности ДНК, которые представляют собой лишь повторы. Также в геноме есть длинные последовательности ДНК, которые представляют собой лишь повторы. Многие «фразы» повторяются сотни раз. Иногда в них есть смысл, и количество повторов у разных людей разное. Это не самые интригующие участки генома, но они относятся к категории неизвестного, которое ждет, чтобы его открыли.

Кроме того, в геноме есть длинные последовательности ДНК, которые вообще ничего не делают, и мы не знаем, зачем они нужны. В 1960-х годах такую ДНК назвали «мусорной», и название прижилось. Возможно, это просто наполнитель или фрагменты хромосом, которые были где-то приобретены, но не оказывают никакого действия. Не вся некодирующая ДНК является «мусорной», но вся «мусорная» ДНК является некодирующей. Эту ДНК активно исследуют, и когда-нибудь мы узнаем, напоминает ли она забытые вещи, которые временно за ненадобностью сложили на чердаке, или это действительно эволюционный хлам, который ждет, что его выбросят в мусорную корзину.

Отчасти проблема связана с терминологией. Когда мы даем биологическим явлениям или идеям легко запоминающиеся имена, они часто приживаются, даже если не имеют глубокого научного смысла. Один такой пример – выражение «первичный бульон», введенное в 1920-х годах для описания гипотетической среды, в которой возникла жизнь. Однако предположение, что жизнь зародилась в результате перемешивания необходимых химических соединений, оказалось ошибочным и надолго затормозило исследования в этой области или направило их в ложном направлении. В 1956 году Фрэнсис Крик сформулировал «центральную догму» молекулярной биологии: ДНК кодирует РНК, которая, в свою очередь, превращается в белок. Вообще говоря, начиная с XVII века ученые стараются избегать таких терминов, как «догма», поскольку догма – это неопровержимый тезис, сформулированный без каких-либо фактических оснований. Странно, что Крик вновь ввел этот термин в науку, в которой все строится исключительно на доказательствах, а не на авторитете. Историк биологии Гораций Джадсон привел слова Крика по этому поводу:

«Я просто не знал, что означает слово “догма”. Я с тем же успехом мог назвать свою идею “центральной гипотезой”. Слово “догма” просто звучало красивее».

Этот пример лишь показывает, что даже самые великие гении могут быть идиотами[91].

Так вот, выражение «мусорная» ДНК относится к тому же разряду. Его придумал корейский генетик Сусуму Оно[92], и оно привлекает внимание людей, не принадлежащих миру генетики. Годами позже Эван Бирни, в своем обычном амплуа, собрал гигантский международный консорциум, чтобы попытаться выяснить роль некодирующей ДНК в человеческом геноме, включая ту ее часть, которую можно было бы назвать «мусорной». Это был невероятный проект, закончившийся в 2012 году выпуском десятков статей и появлением гигантской базы данных, открытой для всех, кто ищет что-либо в нашей ДНК. Вокруг этого дела была раздута фантастическая шумиха, в частности, журналом Nature, где была опубликована главная итоговая статья[93], а также прессой в целом. Из заголовков статей следовало, что примерно 80 % генома имеет биохимическую функцию. Однако исследователи анализировали биологическую активность ДНК в эксперименте, а это совсем не то же самое, что в организме. Таким образом, мы точно не знаем, какая часть некодирующего генома важна для жизни.