Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами

Впервые данное явление обнаружила у растений американская исследовательница Барбара Мак-Клинток еще в конце 30-х годов. Но очень долгое время ей никто не верил, исходя из общего принципа: «этого не может быть, поскольку не может быть никогда». Генетикам трудно было даже представить, чтобы гены прыгали с места на место, «ломая» наследственную информацию. Маститые ученые, если речь заходила о Мак-Клинток, с иронией приводили «прыгающие гены», «скачущие гены» как пример научной торопливости, некритического отношения к собственным результатам, стремления прославиться. Но прошло время и российские ученые (академик Г. П. Георгиев и член-корреспондент В. А. Гвоздев) обнаружили перемещения некоторых участков и в ДНК животного организма (дрозофилы). В конечном итоге научная общественность воздала Мак-Клинток должное. Она дождалась своего звездного часа и получила за свое открытие под конец своей жизни Нобелевскую премию (1983 г.).

Таким образом, было установлено, что отдельные участки генома высших организмов, подобно некоторым индивидуумам в нашем обществе, могут не хотеть жить по общим правилам. Их мало интересует постоянная прописка, и при определенной ситуации они берут и просто «переезжают» в любое заинтересовавшее их по каким-то причинам место или, как говорят, «перепрыгивают» в иные, видимо, более удобные для них районы ДНК. Другими словами, стало ясно, что геном не так уж и стабилен, законсервирован, как он казался многим исследователям до этого.

У человека возможность перестроек в геноме впервые была продемонстрирована при изучении генов иммуноглобулинов, связанных непосредственно с иммунной системой организма. Оказалось, что в процессе индивидуального развития в лимфоцитах (белые кровяные шарики) происходит перетасовка отдельных участков этих генов, в результате чего и формируются тысячи и даже миллионы новых вариантов иммуноглобулинов-антител, убивающих многочисленные чужеродные вмешательства различных живых агентов в человеческий организм. Это позволяет за счет сравнительно небольшого набора исходных генов обеспечивать образование огромного разнообразия всесторонне направленных иммуноглобулинов. Другие хорошо известные гены никогда не «прыгают». Такая ситуация оказалась уникальной именно для иммуноглобулиновых генов. Основное перемещение в геноме человека осуществляют не гены, а элементы совершенно другого типа, получившие название транспозонов. К ним относят различные элементы, входящие во все четыре выше перечисленных основных типа диспергированных повторов генома. Транспозоны способны к разным инновациям в геноме. Перемещаясь, они могут изменять регуляцию других генов и даже принимать участие в создании новых генов. Так, после полного секвенирования генома человека в нем удалось обнаружить около пятидесяти генов, произошедших из транспозонов. Несколько сотен генов в геноме человека используют длинные концевые повторы транспозонов в качестве терминаторов при транскрипции.

Теперь рассмотрим по отдельности структурные особенности разных семейств этих «прыгающих» время от времени элементов генома человека.

Семейство повторов по имени LINE

Как среди населения земли имеются многочисленные нации и меньшинства, так и в геноме одни повторы редки, а другие представлены большим числом копий. Основной представитель длинных диспергированных повторов генома человека — семейство повторов, получившее имя LINE (сокращенно от англ. long interspersed elements). Отличительная особенность этих повторов заключается в том, что они способны кодировать два белка-фермента, которые и принимают участие в перемещении их самих, а заодно они способны обеспечивать «перепрыгивание» и коротких диспергированных повторов (КДП). Это осуществляется главным образом за счет уже упоминавшегося фермента ревертазы. РНК, образующиеся после транскрипции LINE-повторов, превращаются в ДНК-копии, которые и встраиваются в новые места генома. В процессе синтеза ДНК-копии на РНК иногда происходит преждевременная остановка этого процесса, поэтому в геноме человека наряду с «полноразмерными» ДДП присутствуют элементы укороченной длины. Ферменты, кодируемые LINE-повторами, участвуют и в процессе появления в геноме некоторых псевдогенов, т. е. генов, которые вообще не способны функционировать. Но, как оказалось, не только их. Сейчас уже известно с десяток нормально функционирующих генов, которые возникли за счет обратной транскрипции мРНК. Такие гены, конечно же, не содержат интронов (их называют безинтронными).

Итак, в геноме человека источником активной ревертазы являются, по-видимому, ретротранспозоны L1, число копий которых достигает 100 тыс. Однако реально число активных перемещающихся копий составляет всего 30–60 тыс., тогда как остальные настолько повреждены, что не транскрибируются и, следовательно, уже не могут перемещаться.

Семейство повторов по имени Alu