Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Мы знаем, что на экспрессию генов влияют эпигенетические модификации. Взять хотя бы мозг. Есть некоторые гены, которые никогда не экспрессируются в нейронных клетках. К примеру, белок кератин используется в волосах и ногтях, однако не играет никакой роли в сером веществе взрослого человека. В нейронах ген, отвечающий за синтез кератина, отключается и остается в неактивном состоянии благодаря определенной картине эпигенетических модификаций. Однако, как мы уже видели, эпигенетические модификации слепы по отношению к характеру ДНК-последовательности. Что мешает этим репрессивным модификациям проползти по геному за пределы кератинового гена, начав отключать и другие гены?

А ведь эпигенетические модификации зачастую являются самоподдерживающимися, что еще сильнее осложняет дело. Рассмотрим модификации, вовлеченные в процесс подавления генетической экспрессии. Эти модификации привлекают к себе другие белки, которые только усиливают первоначальное изменение. Следовательно, реактивировать экспрессию гена становится еще труднее. Эти белки, в свою очередь, привлекают белки, которые продолжают добавлять к ДНК-последовательности новые репрессирующие эпигенетические модификации, чтобы геи совсем уж не смог избежать инактивации. Впрочем, можно считать, что границы такого подавления достаточно размыты, поскольку эпигенетическая аппаратура не умеет распознавать конкретные ДНК-последовательности. Поэтому на периферии подавляемых областей эпигенетические модификации могут распространяться дальше, чем полагалось бы.

Останавливая распространение

В процессе эволюции наши клетки выработали любопытный способ предотвращения этого нежелательного явления. Подобно тому, как пожарные команды вырубают рощи или взрывают здания, чтобы остановить огненную стихию, наш геном иногда лишает топлива эпигенетические машины. Мусорная ДНК, служащая изолятором между инактивированными и активными областями генома, утрачивает свои гистоны. А если не будет белков-гистонов, то не будет и эпигенетических гистонных модификаций. Без модификаций не будет распространяться эпигенетическая активность. Это не позволяет репрессивным модификациям добираться до активных генов, а кроме того, предотвращает и обратный эффект. Процесс этот схематически показан на рис. 13.1.

Рис. 13.1.Вверху: картины репрессивной модификации распространяются от одного гена к соседнему. Внизу: нехватка гистонов в изолирующих областях между двумя генами предотвращает распространение репрессивных эпигенетических модификаций, поэтому ген, изображенный справа, не подвергается аномальному отключению.

Но поскольку разные клетки требуют изолирования разных областей (в конце концов, мы же хотим, чтобы кератин экспрессировался в клетках, производящих волосы), можно заключить, что самой по себе ДНК-последовательности еще недостаточно для формирования изолятора. Подобные изоляторы (инсуляторы) создаются путем комплексных и зависящих от конкретной ситуации взаимодействий между геномом и комбинациями белков, экспрессируемых клеткой в данный момент.

Один из самых важных таких белков экспрессируется почти повсеместно. Будем называть его 11-FINGER[41]. Это крупный высококонсервативный белок с характерной структурой. Складываясь в трех измерениях, он образует 11 пальцеобразных отростков (finger — от англ, палец), торчащих из него. Каждый из этих 11 пальцев может распознавать определенную ДНК-последовательность, однако не все пальцы умеют распознавать одну и ту же.

Представьте себе одиннадцатипалого пианиста. На нем шерстяные перчатки. Шерсть на каждом перчаточном пальце окрашена в один из четырех цветов. Каждая клавиша пианино также окрашена в один из четырех цветов, причем распределение окраски случайно. Правила таковы: пианист может извлекать любую ноту, какую ему заблагорассудится, но всегда должен одновременно нажимать от 2 до 11 клавиш, причем цвета перчаточных пальцев и цвета клавиш должны совпадать. Похоже, тут возможно несметное количество комбинаций. А теперь представьте, что у инструмента не десятки, а тысячи клавиш.

Вот и белок 11-FINGER способен связываться со множеством различных геномных последовательностей аналогичным образом. Он может присоединяться к десяткам тысяч мест (сайтов связывания) в человеческих клетках. Он прикрепляется не только к ДНК: 11-FINGER связывается и с белками. Представьте себе, что у нашего многопалого пианиста на тыльной стороне перчаток липучки, которые могут соединяться с пушистыми шариками. Цветные пальцы молотят по клавишам, а тыльная сторона кистей понемногу покрывается шариками.