Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Транспозоны: «мусорная ДНК» или двигатель эволюции?

Main page / Живомордность / Транспозоны: «мусорная ДНК» или двигатель эволюции?

Содержание

    Для тех, кто читал все главы этого учебника по порядку, современные базовые знания о наследственной информации (как она записана и как считывается, сколько генов у человека и насколько они отличаются от генов шимпанзе) кажутся простыми и очевидными, общеизвестными. Поэтому сложно представить, что меньше ста лет назад люди и не подозревали о том, что наследственная информация записана в ДНК. Что каких-то тридцать лет назад генетики спорили — сколько СОТЕН ТЫСЯЧ генов в нашем геноме. И что после полной его расшифровки, обнаружив жалкие 25-28 тысяч генов, разбросанных среди некодирующих последовательностей ДНК, разочарованные ученые обозвали эти безгенные участки «мусорной ДНК».

    Почти сразу же обнаружилось, что по крайней мере некоторые ее части очень даже не мусорные. Например, те, которые служат для регулирования считывания генов. А потом и необходимость других частей стала очевидной: обнаружилось, что по многим кускам ДНК строятся мелкие молекулы РНК, которые управляют производством протеинов с филигранной точностью, чутко реагируя на шквал получаемых клеткой извне сигналов и подстраиваясь под внутриклеточные события. Так что термин «мусорная ДНК» пытаются стыдливо замести под коврик и заменить словом «некодирующая», но он настолько броский, что постоянно хочется его вытащить.

    Есть участки некодирующей ДНК, которые ну очень сложно представить приносящими какую-то пользу клетке. Это мобильные генетические элементы, коротко — транспозоны, или «прыгающие гены». Так называют куски ДНК, которые могут перемещаться по геному, создавая свои копии и встраивая их во все новые участки ДНК клетки. Мы уже тут и тут немного писали о мутациях и о том, как замена одного нуклеотида может вывести из строя жизненно важный ген, так что на первый взгляд не очень удобно иметь в своем геноме таких кочевников. Именно поэтому сначала транспозоны обозначили как «эгоистичную ДНК» или «генетических паразитов», которые врываются в геномы живых существ и начинают размножатья, сея хаос. Но если взглянуть второй раз, становится очевидно, что:

    • вообще-то двигателем эволюции являются мутации;
    • ненужные последовательности генома безжалостно уничтожаются естественным отбором;
    • транспозоны миллионы лет сидят в миллионах живых существ, на их копирование клетки тратят свои ресурсы вместо того, чтобы избавиться от «генетического мусора».

    В общем, есть подозрение что все тут не так просто, и зачем-то транспозоны нам нужны (несмотря на то, что вредные мутации они тоже иногда вызывают). Причем нужны настолько, что у человека около 45% генома занимают именно транспозоны!

    У разных видов живых существ количество транспозонов в геноме может существенно отличаться: если у дрозофилы таких участков всего 15-20%, то у кукурузы их по крайней мере 85%. У бактерий, которые стараются обходиться минимумом генов, тем не менее тоже присутствуют транспозоны, потому что они дают им существенный бонус, который «не прыгающие» участки ДНК обеспечить не могут. Но про это позже.

    Транспозоны делятся на две большие группы:

    🐛 первые не озабочены размножением, поэтому такой транспозон просто вырезается из того места ДНК, где он сидел, и встраивается в другое место, влезая между соседними нуклеотидами. Такую транспозицию, при которой количество транспозонов в геноме не увеличивается, называют консервативной.

    🐛 Транспозоны второй группы никуда переезжать не собираются: вместо этого они создают свою копию, которая уже отправляется на поиски места, где она сможет встроиться в геном. Был один транспозон — стало.. нет, не два, а гораздо больше копий исходного участка ДНК может появиться в результате такой репликативной транспозиции.

    При самом поверхностном взгляде на репликативный транспозон возникает смутное чувство, что где-то я такое уже встречала.. такую штуку, которая может снять свою копию и встроить в геном хозяина. Точно: это очень похоже на ретровирус, который как раз этим и занимается: попадая в клетку (то есть впрыскивая туда свою генетическую информацию), он первым делом.. нет, не размножается. Сначала он с помощью фермента обратной транскриптазы по молекуле РНК, в которой записан его геном, строит комплементарную (то есть созданную по правилам спаривания оснований) молекулу ДНК. Зачем? Читай дальше.

    Обычно в клетке происходят противоположные этому процессы: первоначальными чертежами являются именно молекулы ДНК, по которым строятся комплементарные «оттиски» уже из РНК, которые используются клеткой для своих нужд. Это обычный процесс жизнедеятельности: взяли ДНК, построили РНК, и никаких обратных процессов — пока в эту идиллию не вмешался вирус, впрыснув одновременно со своим геномом несколько молекул обратной транскриптазы. Которая, пока мы тут рассматриваем обычный клеточный цикл, уже давно достроила к вирусной РНК нить ДНК. И не остановилась на этом: получившийся двухцепочечный гибрид РНК + ДНК состоит из разных нуклеиновых кислот, такие штуки клеткой или вирусом никак не используются. Поэтому обратная транскриптаза разрушает молекулу РНК и строит вместо нее вторую молекулу ДНК. В результате получился кусок двухцепочечной ДНК, готовый к встраиванию в геном.

    Но просто так добавить в геном лишний кусок ДНК не получится: на страже его целостности и неизменности стоит целое полчище клеточных механизмов-предохранителей. Тут и гистоны, на которые для сохранности намотана ДНК. И клеточные машинки, рыскающие по ядру в поисках разрывов ДНК и моментально сшивающие обнаруженные оборванные хвосты. И тем не менее вирус или транспозон элегантно обходит эти механизмы защиты и добавляет свою копию в наследственную информацию клетки-хозяина. И теперь уже обычные клеточные механизмы вирус использует в своих целях: с добавленного участка ДНК считываются вирусные гены, и по ним строятся нужные вирусу продукты.

    Ретровирус, в отличие от обычных вторженцев в клетки, имеет два пути развития: он может начать производство мириадов вирусных частиц, пуская на это все ресурсы клетки и уничтожая ее таким образом (иногда это приводит к гибели всего многоклеточного организма, например в случае самого известного из ретровирусов — ВИЧ). А может встроиться в геном хозяина и затаиться: никаких построений обратных транскриптаз и других вирусных протеинов. Просто добавился еще один кусок в ДНК клетки, которая будет его тщательно копировать при делении, передавая своим потомкам. До момента встраивания в геном клетки компоненты вируса (например, его наследственная информация в виде РНК) воспринимаются клеткой как чуждые, и часто уничтожаются. Но когда вирусной информация затерялась где-то между собственных нуклеотидов клетки, все меняется. У клетки нет возможности опознать этот кусок как чужеродный и вырезать. Так что каждая дочерняя клетка будет обладателем ДНК ретровируса в своем геноме. И если вирус не активизируется, начав неконтролируемо размножаться и разрушая клетку-хозяина, то из первой инфицированной клетки образуется целая популяция с вирусной вставкой в клеточной ДНК. Многоклеточные существа могут передать ретровирус следующим поколениям только в том случае, если он встроился в половую клетку, которая была использована для создания нового организма. Этот организм будет нести и родительскую, и вирусную информацию в каждой клетке своего тела, в том числе и в половых, передавая ее все дальше и дальше вверх по эволюционному древу.

    Это очень упрощенная картина, и на самом деле для ретровируса все не так уж радужно: он не может быть просто беззаботным пассажиром, путешествующим от единственного носителя ко всем его далеким потомкам. Потому что при каждом копировании генома в случайных местах возникают ошибки — мутации. Их немного, и в клетке содержится множество механизмов, созданных специально для отслеживания и исправления таких ошибок, но тем не менее некоторые из них остаются незамеченными. Плюс при обычной жизнедеятельности клетки происходят повреждения генома — для их исправления так же существуют разнообразные способы, и точно так же некоторые повреждения остаются в родительском организме и передаются по наследству. А если ошибка передалась потомкам — это уже полноценная мутация. И конечно же вставленная ДНК ретровируса никак не защищена от мутаций.

    Общее свойство мутаций таково: они накапливаются в тех участках ДНК, где не производят вреда или приносят пользу. Просто потому, что если мутация приносит вред, ее носитель становится менее успешным в своей жизнедеятельности (если вообще выживает), оставляет меньше потомков (или вообще не оставляет), и в результате генотип с вредной мутацией исчезает из генофонда. А когда мутация не приводит к негативным последствиям, она не подвержена давлению естественного отбора, и отлично существует дальше. Так что если вирусная ДНК не приносит пользы своему хозяину, то ее судьба предрешена: гены будут мутировать все сильнее, на каком-то этапе потеряв способность производить новые вирусы. Конечно же, есть и другой путь развития: «спящий» в геноме потомков давным-давно зараженного первого хозяина вирус вдруг активизируется, начнет производить свои копии и вызовет либо болезнь, либо смерть не ожидавшего такого исхода носителя. Короткий такой (для хозяина) путь развития, так что и хватит о нем.

    После этого длинного отступления в сторону родственников транспозонов давай вернемся к нашему геному. Итак, его 45% составляют очень похожие на ретровирусы фрагменты. Теперь ты уже знаешь, что это совсем не значит, что ты наполовину больна, или наполовину вирус. Это значит, что каким-то образом ты этой похожей на вирусную ДНК пользуешься, иначе она давно уже бы выпололась из твоего генома естественным отбором. Чтобы понять, как и для чего эти куски ДНК нужны, необходимо рассмотреть их поближе.

    Прежде всего хочется понять, что они МОГУТ делать. Независимо от того, каковы особенности конкретного транспозона, к какому виду он относится, результаты их действия очень похожи:

    1. Транспозон может вставиться в середину гена, разрушив его таким образом. Если этот ген жизненно важен для клетки, то такая мутация является вредной. Но отключение какого-то гена в определенном типе клеток может дать позитивный эффект, так что нельзя сказать что такой вариант мутации вреден по умолчанию. Изучая животных, которые имеют какое-то преимущество перед своими сородичами (вроде увеличенной продолжительности жизни), ученые часто часто обнаруживают, что дающая этот бонус мутация именно выключает какой-нибудь ген. Например, есть группа генов, подавляющих развитие опухолей. Вот их выключать совсем не стоит, тем не менее у клетки есть механизмы для управления работой этих генов, в том числе и гены-выключатели, направленные именно на них. И если мутация повредила один из генов-выключателей, организм будет бороться с опухолями лучше, а значит жить дольше.

    2. Транспозон может «вклиниться» между геном и управляющими его считыванием элементами ДНК. Последствия непредсказуемы: ген может считываться меньше или наоборот больше. Это может полностью выключить обычно активный ген или включить тот, который в немутировавших клетках надежно заблокирован.

    3. Транспозон может исполнять роль «мула» для какого-то другого гена, случайно встроившегося в середину транспозона и не нарушившего его способность копироваться и встраиваться в новые места. Такой транспозон «с начинкой» может привести к тому, что в геноме появятся несколько копий обычного клеточного гена, по которым будут активно производиться клеточные продукты. Будет это полезно для клетки или вредно, опять же непредсказуемо: в зависимости от того, что это за ген и что за тип клетки, какие сейчас условия внешней среды, какие у клетки взаимодействия с ее соседями это может быть как очень полезным, так и разрушительным.

    4. Не стоит забывать, что активный транспозон несет собственные гены. По ним обычно производятся ферменты для лично-транспозоновых нужд: те, которые транспозон копируют и те, которые его вставляют в новое место ДНК. Но эти ферменты могут использоваться и самой клеткой.

    5. Транспозоны могут приводить к мутациям при самом обычном копировании ДНК, или при исправлении поврежденных последовательностей. Им даже делать ничего не нужно, достаточно того, что они есть в клетке. Подробнее про это — в факультативной главе.

    6. Встраивание транспозона может изменить эпигенетические модификации на соседних участках ДНК, а это непосредственно влияет на считывание информации с этих участков.. Результат очень похож на то, что описано в пункте 2. И так же непредсказуем.

    7. Есть особые некодирующие участки молекул ДНК, которые критически важны для функционирования клетки. Одни из них — теломеры — находятся на концах каждой молекулы ДНК, защищая их от повреждений. Когда ДНК теряет теломеры, любое деление клетки приводит к вредным мутациям. И даже если клетка больше не делится, а спокойно себе живет, без теломер вероятность возникновения вредных мутаций увеличивается в разы. Наверняка ты уже читала в каких-нибудь новостях науки о связи укорачивания теломер со старением организма и раком, так что понятно, что эта штука очень нужная. Другая, не менее нужная (но гораздо менее известная) некодирующая часть молекулы ДНК — это центромера. При повреждении этого участка клетка не может делиться, или делится с образованием мутантных клеток, что опять же сопутствует старению и разным болезням, спровоцированным мутациями.

    Так вот эти участки ДНК образовались когда-то очень давно именно из транспозонов. На картинке сверху ты видишь как раз пару соединенных своими центромерами хромосом, чьи теломеры выделены зеленым цветом. Да, это не одна хромосома, а две! Художникам почему-то очень нравится рисовать хромосомы именно в таком виде, но в клетке они находятся в таких парах очень редко: только перед тем, как клетка делится на две дочерние. Такое распределение по парам необходимо для правильного деления клетки, и без центромер оно было бы невозможно. Так что нет центромеры — не будет деления.

    Возникает вопрос: если эти важные штуки образовались именно из транспозонов, не могут ли они просто взять и куда-нибудь перепрыгнуть? Ответ: не могут. Потому что эти участки уже давно потеряли способность к прыжкам из-за мутаций.

    8. Иногда транспозоны активно распространяются только в одной части популяции какого-нибудь вида животных, или растений. Например, если на какой-то остров залетела птичка такого вида, который там пока не живет, и начала размножаться.. Ну не сама начала конечно, еще как минимум одна птичка должна присутствовать. Или яйца в ней уже были?.. В общем, потомки этой птицы будут иметь очень схожие наборы генов, и если у нее было больше транспозонов в геноме, чем у других птиц ее вида, то получится такая популяция особенно обтранспозоненных птичек. Ясно, что их геномы будут сильно отличаться от геномов птиц того же вида: птичьи гены у них будут очень схожими, но молекулы ДНК, в которые много раз вставились транспозоны, будут заметно длиннее. Такое отличие может привести к невозможности скрещивания между «транспозоновыми мутантами» и птицами с исходным генотипом, а это уже признак того, что мутанты образовали новый, обособленный вид. Который продолжит эволюционировать независимо от исходного вида. Так что возможно транспозоны играют заметную роль в эволюции таким своим вмешательством.

    В общем, главное что можно сказать о результате деятельности транспозонов это то, что он непредсказуем. И его польза или вред для клетки зависят от большого количества факторов: что это за транспозон и куда он встроился, что это за клетка и в каком окружении она находится, что происходит в окружающей среде.. Очевидно только, что транспозоны для клеток являются чем-то вроде рулетки, и в спокойные периоды жизни, когда «все хорошо», клетка старается их заблокировать: все работает? Сиди и ничего не трогай:) А вот в ситуациях, когда есть проблемы, стоит рискнуть: активировать мутации и надеяться на лучшее. Причем клеточные механизмы способны частично контролировать эти спровоцированные самой клеткой прыжки транспозонов: обычно они могут встроиться не куда попало, а только в определенные места генома. А в те места, где содержатся особо ценные гены, им пролезть заметно сложнее. Поэтому надежды на благоприятный исход деятельности транспозонов очень даже оправданные. Более того: иногда клетки используют транспозоны не в проблемной ситуации, а просто для создания новых возможностей, и происходит это не где-нибудь, а в каждом развивающемся зародыше млекопитающего. А ты вообще-то тоже млекопитающее.. так что можешь открывать следующую главу, там про это подробно написано.