Краткая история всех, кто когда-либо жил

Мы уже довольно давно знали, что в геноме есть некодирующие области, и большая часть генома выполняет структурную функцию. Всем известно, что ДНК представляет собой двойную спираль – знакомую всем правозакрученную лестницу, открытую в 1953 году Уотсоном и Криком. Однако в реальности ДНК почти никогда такой не бывает. Она постоянно пребывает в действии и в динамике. Она скручивается и раскручивается, редактируется и корректируется. В клеточном цикле, когда клетка растет и делится надвое, как это делают все клетки на протяжении четырех миллиардов лет, происходит удвоение всей клеточной ДНК, так что дочерние клетки получают точно такой же геном, как у родительских клеток (за исключением половых клеток, которые превращаются в четыре дочерние клетки, каждая из которых содержит половину генетического материала). Этот процесс обеспечивается за счет спланированной до мельчайших подробностей хореографической постановки, в ходе которой раскрученные нити ДНК упаковываются в хромосомы, имеющие всем известную характерную форму. В таком виде ДНК находится только краткий миг, но в этом представлении участвуют гигантские участки ДНК, выполняющие не кодирующую, а структурную функцию.

Кроме того, в ДНК содержатся все инструкции по поводу того, что, где и как делают гены. Во всех клетках есть абсолютно все гены, но в каждый момент времени и в каждом конкретном месте функционируют только некоторые из них. Ген, активирующий клеточное деление, не должен работать в тканях, рост которых уже закончен, иначе произойдет опухолевое перерождение ткани. Ген, участвующий в производстве сперматозоидов, не должен работать нигде, кроме как в семенниках. Каждый ген нужен в определенное время и в определенном месте, особенно это касается развития эмбриона.

Когда-то я исследовал ген CHX10, который у млекопитающих участвует в формировании глаз. Он активируется сразу после формирования общей структуры глаза: у мышей – примерно через 10 дней после зачатия, у человека – примерно через 10 недель. В это время CHX10 запускает программу, заставляющую делиться будущие клетки сетчатки. Эти клетки располагаются между внешней поверхностью глаза и хрусталиком. Если CHX10 поврежден, глаза зародыша развиваются неправильно, и ребенок родится слепым с сощуренными и глубоко посаженными глазами; это состояние называют микрофтальмией.

Кодируемый геном CHX10 белок не имеет в организме никаких других функций, кроме как заставлять работать другие гены в этот ответственный период эмбрионального развития. Это не фермент, ускоряющий переваривание пищи, и не структурный белок кожи, кости или волоса, он не переносит кислород в крови и не превращает фотоны света в электрические сигналы в головном мозге. Белок CHX10 упакован в виде ленты с прорезью на одной стороне. Смысл этой прорези (и, вообще говоря, всего белка CHX10) заключается в том, чтобы садиться на последовательность ДНК. Белок связывается только с определенной последовательностью ДНК, содержащей восемь букв: TAATTAGC. Эта последовательность – не ген, но находится рядом с геном, обычно перед его началом, и связывание CHX10 заставляет ген «включиться». Ген CHX10 относится к семейству так называемых транскрипционных факторов, задача которых заключается в регуляции работы других генов путем их включения и выключения. Обычно гены действуют каскадами, особенно в процессе эмбрионального развития, и следуют генетическим инструкциям: «эта группа клеток станет глазом», «эта часть глаза станет сетчаткой», «эта часть сетчатки должна стать палочками и колбочками» или, напротив, «эта часть не будет содержать фоторецепторов». Подобные каскады контролируются другими генами, находящимися ниже на иерархической лестнице, и на каждом этапе клетки удаляются от своего исходного состояния бесконечного потенциала возможностей в сторону усиления специализации: «Вы не просто клетки мозга, вы фоторецепторные клетки, способные распознавать только определенный свет, который мы называем голубым». Транскрипционные факторы можно сравнить с управляющими большими строительными проектами, которые смотрят на карту, выбирают конкретный участок и командуют: «Это строим здесь». Конечно же, транскрипционные факторы кодируются генами, но активируемые ими переключатели – нет, и таких последовательностей, рассеянных по всему геному, существуют тысячи.

Кроме того, внутри последовательностей генов находятся некодирующие участки, интроны. Интроны есть во всех человеческих генах, причем зачастую последовательности интронов длиннее последовательности самого гена. Странный принцип – разбивать осмысленный текст xxxxxxxxxx таким количеством yyyyyy бессмысленных фрагментов zzzzz, и я не перестаю удивляться, что клетки умеют их удалять, превращая основной код ДНК сначала во временную версию кода в форме РНК, а затем в полностью функциональный белок.