ДНК. История генетической революции

Сравнение геномов также помогает понять эволюцию белков. Как правило, белковую молекулу можно считать совокупностью из различных участков, так называемых фрагментов аминокислотных цепочек, выполняющих конкурентную функцию либо образующих характерную пространственную структуру. По-видимому, эволюция просто перетасовывает эти участки и создает новые комбинации. Выдающийся пример такого рода – эукариотический организм Oxytricha trifallax, обитающий в стоячей пресной воде. Лора Ландвебер провела интересные и изящные исследования, которые показали, что при спаривании их геном буквально крошится на фрагменты и затем восстанавливается заново. Две клетки Oxytricha сходятся и взаимно обмениваются геномами примерно наполовину (отдают примерно по 18 500 генов). Пока половина генов остается в так называемом рабочем ядре, остаток переходит во второе ядро, состоящее примерно из 100 хромосом. Каждая клетка лишается примерно 90 % новоприобретенной ДНК и остается примерно с 16 тысячами нанохромосом, во многих из которых всего по одному гену. Возможно, такая перестройка генома при рождении новой особи и объясняет, каким образом Oxytricha удалось просуществовать на Земле около двух миллиардов лет. Вероятно, это эволюционный реликт, утраченный всеми существами, кроме Oxytricha.

Предположительно, большинство вариантов белковых молекул, полученных в результате перестановок, структурно случайны, поэтому бесполезны и, соответственно обречены на отбраковку естественным отбором. Очень редко новая комбинация оказывается полезной, тогда возникает новый белок. Примерно 90 % участков, найденных в человеческих белках, также обнаружены в белках дрозофилы и червей. Фактически уникальный человеческий белок не что иное, как пересобранная версия белка дрозофилы.

Такое биохимическое сходство между разными организмами нагляднее всего демонстрируется в ходе так называемых спасительных экспериментов, цель которых – устранить тот или иной белок у одного вида, а затем задействовать соответствующий белок от другого вида, чтобы ликвидировать сложившиеся в ходе патологического процесса или уже имеющиеся дисфункции. Мы уже видели, как эта стратегия применяется в случае с белком инсулином. Поскольку человеческий и коровий инсулин схожи, диабетики выживают, принимая коровий инсулин в качестве заменителя человеческого.

В опыте, напоминающем эпизод из проходного научно-фантастического фильма, исследователи смогли вырастить глаза на лапках у дрозофил, манипулируя конкретным геном, определяющим расположение глаз у этой мушки. Этот ген инициирует работу множества других генов, участвующих в формировании глаза в заданном месте. Аналогичный мышиный ген настолько похож на ген дрозофилы, что будет работать точно так же, если поместить его – к слову, современный генетик делает это мановением руки – в геном дрозофилы, у которой этот ген ранее устранен. Сам факт, что такое возможно, мягко говоря, примечателен. Эволюция разделила предков дрозофил и мышей не менее полумиллиарда лет тому назад. Таким образом – следуя логике, которая применима к формированию эволюционных линий человека и дрожжей, развивавшихся одновременно и независимо друг от друга, – этот ген сохранился на протяжении более миллиарда лет эволюции. Ситуация станет еще более удивительной, если учесть, что мышиный глаз принципиально отличается от глаза дрозофилы как по структуре, так и по оптическим характеристикам. Предположительно, в каждой эволюционной линии глаз адаптировался к решению конкретных задач, но базовый механизм, определяющий местоположение глаза, в совершенствовании не нуждался и поэтому не изменился.

Наиболее отрезвляющим в рамках проекта «Геном человека» было осознание того, как удивительно мало мы знаем о функциях абсолютного большинства человеческих генов. Отсеквенированный геном – это подробный инвентарный список для сборки организма, но в нем не прописано, как именно собрать организм и как он затем будет работать. Чтобы воспользоваться этой добытой с таким трудом информацией, необходимо разработать методы для изучения функций генов в масштабах всего генома.