Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Транспозоны проявляют очень высокую активность не только в геноме растений, но также в геноме мух, где они специализируются на «прыжках» на концы хромосом, обеспечивая защиту от эрозии при делении клетки. Поэтому они являются родственниками или предшественниками теломераз (у них сходные структуры), что продлевает концы наших хромосом в период эмбриогенеза. При клеточном делении они защищают наши геномы от потери важнейшей информации.

А теперь удивлю. Транспозоны создали нашу иммунную систему. Каким образом? Транспозоны защищают клетку от родственных транспозонов. Это называется противовирусной защитой, и это – наша иммунная система, защищающая клетку. Механизм действия прост: любой вирус (включая транспозоны) препятствует проникновению в клетку аналогичного вируса. Это гарантирует вирусу успешную репликацию и получение большого количества потомков при ограниченных ресурсах клетки. Таким образом, защита клетки за счет монополии одного вируса благоприятно влияет на репликацию вируса. Вирусы создали противовирусную защитную систему, которая в итоге стала общей иммунной системой клетки-хозяина. Вирусы «научили» клетки не допускать внедрения вирусов. Иммунная система направлена против своих «создателей» или инициаторов, для чего используется простой механизм отрицательной обратной связи.

Не только эукариотические, но и бактериальные клетки защищаются от слишком большого числа транспозонов. Со временем транспозоны должны быть инактивированы, а клеткам нужно аккумулировать инактивирующие мутации для обеспечения эффективных генетических приобретений. Следует отметить, что у клеток существуют механизмы защиты от транспозируемых элементов, поскольку слишком большое количество «прыжков» клетке вредит. «Прыжкам» противодействует сайленсинг (см. главу 9).

Кукуруза «госпожи Мендель»

Генетик Барбара Макклинток изучала кукурузные зерна и была удивлена разнообразием цветов зерен. Когда она анализировала цвет зерен индийской кукурузы, стало понятно, что полученные результаты не коррелируются с открытыми Грегором Менделем законами наследования генов. Она не могла найти этому объяснение. В результате в 1940-х гг. Макклинток открыла «прыгающие» гены – транспозоны. Она перевернула общепринятую в то время концепцию о стабильности нашего генного материала даже до того, как в 1953 г. была открыта двухцепочечная ДНК. Она стала открывателем нестабильности ДНК кукурузы и объяснила это действием «прыгающих» генов, которые повлияли на цвет. Уже в 1944–1945 гг. Макклинток наблюдала явление перемещения генов в клеточных хромосомах, что вызывает мутации и изменение цвета зерен индийской кукурузы. Когда в 1951 г. она докладывала о полученных ею результатах научному сообществу, то столкнулась не только с полным непониманием, но даже с враждебностью и неприятием. Полученные ею результаты были восприняты как ересь. Она опередила время на 50 лет.

В следующие 20 лет «прыгающие» гены или ДНК-транспозоны наблюдали везде, где только возможно, – в дрожжах, бактериях, во всех живых организмах – включая человека, хотя для этого были использованы более сложные процедуры. В наших геномах доминируют ретротранспозоны, в то время как ДНК-транспозоны в геноме человека очень давно оказались инактивированы.

Как это ни странно, но можно даже «видеть» «прыгающие» гены, но только если они воздействуют на гены окраски.

ДНК-транспозоны могут «прыгать» в непосредственной близости от генов окраски и менять их регуляцию, что Макклинток назвала «контроль генов». Другие же исследователи полагали, что изменение цвета обусловлено патогенами. Это тоже верно, вирус действительно вызвал тюльпаноманию (см. главу 8). «Прыжок» может произойти где угодно, но визуально можно выявить лишь изменения в регуляции генов окраски. Редко удается наблюдать невооруженным глазом столь сложные механизмы. Нужно быть таким человеком, как Барбара Макклинток, чтобы понять этот механизм или хотя бы частично в нем разобраться, поскольку он до сих пор полностью не изучен. В 2015 г. на конференциях неоднократно показывали фотографию Макклинток.

Барбара Макклинток открыла эпигенетику – явление, выходящее за рамки генетики, поскольку генетические законы Менделя не объясняют цвет зерен кукурузы. За открытие «прыгающих» генов Макклинток можно было бы назвать «госпожа Мендель», настолько высоко мы должны оценить ее открытие. В настоящее время известно, что эпигенетика основана на химических модификациях ДНК и белков, упаковывающих ДНК, которые затем дерегулируют генную экспрессию. Этот эффект объясняется средовыми изменениями и, как правило, не наследуется. К настоящему времени известны два основных механизма, вызываемые химическими модификациями, такими как присоединение метильных групп к ДНК и изменения в белках гистонов (входящих в состав хроматина) путем ацетилирования. Метилирование промотора, провидчески названное Макклинток «контроль генов», выключает экспрессию гена.