Эпигенетика

Все приведенные выше примеры показывают удивительное изменение центральной догмы контроля генов, формулировка которого начинает выглядеть следующим образом: ДНК → некодирующие РНК → хроматин → функция гена. Никто не предвидел появление представлений о том, что некодирующие РНК активно участвуют в работе RNAi-подобных механизмов, которые также «нацеливают» локус-специфичные домены на ремоделинг хроматина и сайленсинг генов.

11. От одноклеточных систем к многоклеточным

5000–6000 генов, содержащихся в геномах почкующихся и дробянковых дрожжей, достаточны для регуляции основных метаболических процессов и процессов клеточного деления. Здесь, однако, нет потребности в клеточной дифференпировке, поскольку эти одноклеточные организмы в основе своей являются клональными и, как таковые, многократно повторяющимися «бессмертными» существами. В противоположность им млекопитающие кодируются приблизительно 25000 генами, требующимися в клетках примерно 200 разных типов. Понимание того, каким образом с одной и той же генетической матрицы генерируется и координируется связанная с многоклеточностью сложность организма, является ключевым вопросом в эпигенетических исследованиях.

Сравнение размеров генома у дрожжей, мух, растений и млекопитающих показывает, что размер генома существенно растет с увеличением сложности соответствующего организма. Имеет место более чем 300-кратное различие между размерами геномов у дрожжей и у млекопитающих, при том что общее число генов возрастает всего в какие-нибудь 4–5 раз (рис. 3.15). Однако показателем сложности генома может служить отношение кодирующих последовательностей к некодирующим и повторяющимся: в основном «открытые» геномы одноклеточных грибов имеют сравнительно мало некодирующей ДНК по сравнению с высоко гетерохроматинизированными геномами многоклеточных организмов. В частности, млекопитающие накопили значительное количество повторяющихся элементов и некодирующих участков, которые составляют большую часть их нуклеотидных последовательностей ДНК (52 % некодирующей и 44 % повторяющейся ДНК). Таким образом, лишь 4 % генома млекопитающих кодируют белковые функции (включая интронные последовательности) Эта массивная экспансия повторяющихся и некодирующих последовательностей у многоклеточных организмов, вероятнее всего, обусловлена включением инвазивных элементов, таких как ДНК-транспозоны, ретротранспозоны и другие повторяющиеся элементы. Хотя эти последние и представляют собою нагрузку для программ координированной экспрессии генов, они в то же время делают возможной эволюцию генома и обусловливают его пластичность, а также некоторую степень стохастической регуляции генов. Экспансия повторяющихся элементов инфильтрировала даже транскрипционные единицы генома млекопитающих. Результатом явились транскрипционные единицы, нередко гораздо более крупные (30—200 т. н.) и обычно содержащие множественные промоторы и повторы ДНК внутри нетранслируемых интронов. В противоположность этому растения, обладающие такими же большими геномами, обычно обладают меньшими транскрипционными единицами с меньшими интронами, потому что у них развились защитные механизмы, не позволяющие «терпеть» вставку транспозона в пределах транскрипционной единицы.

^{Рис. 3.15. Круговые диаграммы, характеризующие организацию генома у разных организмов}