О загадке строения наших генов

Гены эукариот имеют фрагментарное строение. После ранних исследований бактериальных геномов считалось, что и в наших хромосомах гены расположены в четком и однозначном порядке, как бусины на нитке. Но в конце XX века выявили неожиданную картину. Генетик Дэвид Пенни высказывался об этом так: “Если бы я участвовал в проектировании генома E. coli, я бы очень гордился этим проектом. Но если бы мне довелось приложить руку к человеческому геному, то было бы очень стыдно признаться, что я имею к этому отношение. Даже университетский комитет не сделал бы хуже”.

В эукариотическом геноме беспорядок. В составе генов короткие последовательности, кодирующие части белков (экзоны), чередуются с длинными некодирующими последовательностями – интронами. Как правило, один ген содержит несколько интронов. Размеры интронов могут довольно сильно различаться, но чаще всего они существенно длиннее кодирующих участков. Их последовательности всегда считываются сначала в РНК – матрицу, определяющую последовательность аминокислот в белке, а затем вырезаются из нее (“сплайсируются”) до того, как РНК достигает рибосом – расположенных в цитоплазме грандиозных фабрик по производству белка. Это непростая задача. Ею занимается другая замечательная белковая наномашина: сплайсосома. Вскоре мы вернемся к тому, насколько она важна, а пока отметим, что процедура вырезания интронов довольно причудлива. Если вырезать интрон не получится, рибосома пройдет по некодирующему участку, и после его считывания получится бесполезный белок. Рибосомы следуют инструкциям столь же неукоснительно и слепо, как бюрократы у Кафки.

Почему гены эукариот фрагментарны? Известно, что такое строение предоставляет некоторые преимущества. Например, на основе одного и того же гена можно получить разные белки, осуществляя сплайсинг (вырезание интронов). Именно так реализуется рекомбинационное многообразие иммунной системы. Кусочки белка комбинируются, формируя миллиарды антител, среди которых должно найтись подходящее почти для любого бактериального или вирусного белка. Связывание антитела с таким белком приводит в движение смертоносную машину иммунной системы. Однако иммунная система – это позднее изобретение, прерогатива крупных животных со сложным строением. А была ли какая-нибудь польза от фрагментарного строения генов на более ранних этапах? В 70-х годах XX века один из первопроходцев эволюционной биологии Форд Дулиттл предположил, что интроны должны были появиться еще на заре возникновения жизни. Суть “гипотезы ранних интронов” в том, что на ранних этапах эволюции отсутствовала подобная современной система исправления ошибок в ДНК, а значит, накопление ошибок в генах должно было происходить очень быстро и опасность генетического вырождения была велика. Учитывая высокую скорость появления мутаций, их общее число зависело от суммарной длины ДНК. Только малые геномы могли избежать вырождения. Приобретение интронов решает эту проблему. Как закодировать много белков при помощи короткой нити ДНК? Комбинируя кусочки! Это красивая идея, у которой до сих пор есть приверженцы, и Дулиттл не единственный. Эта гипотеза, как и другие хорошие гипотезы, позволяет довольно многое предсказать. К сожалению, ее предсказания ошибочны.

Главное предположение, вытекающее из этой гипотезы, таково: первыми возникли эукариоты. Интроны есть лишь у эукариот, а если интроны характерны для изначального, предкового состояния, то эукариоты должны быть самыми первыми клетками (прародителями бактерий и архей), которые впоследствии потеряли свои интроны в результате отбора на оптимизацию генома. С точки зрения филогенетики это абсурд. Современные данные полногеномного секвенирования показывают, что эукариоты, вне всяких сомнений, произошли от архейной клетки-хозяина и бактериального эндосимбионта. Самое первое разветвление дерева жизни – расхождение бактерий и архей. Эукариоты возникли гораздо позднее. Это подтверждают и палеонтологическая летопись, и энергетические расчеты.

Но если наличие интронов не было исходным состоянием, почему и как они появились? Похоже, дело в эндосимбионте. Да, у бактерий нет “настоящих интронов”, однако то, что интроны имеют бактериальное происхождение, почти не вызывает сомнений. Если точнее, они произошли от бактериальных генетических паразитов – мобильных элементов, которые получили название самосплайсирующиеся интроны II типа. Мобильные интроны – это фрагменты эгоистичной ДНК, прыгающие с места на место гены, которые копируют сами себя, встраиваясь в геном и снова покидая его. Это очень хорошо приспособленные для выполнения своей задачи машины. Они считываются в РНК как обычные гены, но затем эта РНК оживает, складываясь в сложную структуру, которая функционирует как молекулярные “ножницы”. При помощи этих “ножниц” паразиты вырезаются из длинных РНК-транскриптов, минимизируя урон для клетки-хозяина, и формируют активные комплексы, кодирующие обратную транскриптазу – фермент, способный синтезировать ДНК на матрице РНК. За счет этих комплексов копии интронов снова оказываются в геноме. Интроны, которые самостоятельно встраиваются и вырезаются из бактериального генома, считаются паразитическими генами.

“…На блохе живет блоху кусающая блошка”. Кто бы мог подумать, что геном – это настоящее змеиное логово, что он кишит паразитами. Но так и есть. Вероятно, мобильные интроны довольно древние. Они встречаются во всех трех доменах жизни, и у них, в отличие от вирусов, никогда не возникает необходимости покидать безопасное укрытие – клетку-хозяина: интроны копируются при ее делении. Живые организмы уже научились с ними жить.

У бактерий довольно хорошо получается с ними справляться: правда, неизвестно, как именно. Возможно, просто за счет силы отбора, который действует в крупных популяциях. Бактерии с неудачным расположением интронов, нарушающим правильную работу генов, проигрывают клеткам, у которых интронов нет. Или, может быть, сами интроны, приспосабливаясь, начинают вторгаться лишь в периферические области ДНК, что не должно сильно мешать клетке-хозяину. В отличие от вирусов, которые могут самостоятельно существовать вне клетки-хозяина и поэтому не слишком заботятся о том, чтобы ее не убить, мобильные интроны прекращают свое существование вместе с хозяином и не получают никакой выгоды, причиняя ему вред. Эту область биологии лучше всего рассматривать в терминах экономики (затраты и прибыли, “дилемма заключенного”, теория игр и т. д.). У бактерий и архей мобильные интроны встречаются нечасто, и их никогда не находят внутри самих генов – поэтому технически они вообще не являются интронами. Они накапливаются с низкой плотностью в промежутках между генами. Бактериальный геном обычно содержит не более 30 интронов на 4 тыс. генов. В эукариотических же геномах их число может достигать десятков тысяч. Малое количество интронов у бактерий – отражение установившегося за долгое время баланса, результат отбора, который в течение многих поколений действовал на обе стороны.

Вот такая бактерия вступила в эндосимбиоз с архейной клеткой-хозяином 1,5–2 млрд лет назад. Из современных форм к предку митохондрий наиболее близок один из видов альфа-протеобактерий, а нам известно, что у нынешних альфа-протеобактерий интронов довольно мало. Но как связаны древние генетические паразиты и структура эукариотических генов? Разве только механизмом РНК-ножниц, который обеспечивает сплайсинг мобильных бактериальных интронов, и отчасти логикой. Выше я упоминал сплайсосомы: белковые наномашины, вырезающие интроны из РНК-транскриптов. Они есть и у нас. Сплайсосома состоит не только из белков: ее центральная часть представляет собой все те же РНК-ножницы. Они осуществляют сплайсинг эукариотических интронов при помощи характерного механизма, который выдает происхождение этих “ножниц” от бактериальных самосплайсирующихся интронов (рис. 27).