Таинственный геном человека - Страница 40

Будет полезно думать так: экзоны «покидают» ядро, чтобы закодировать белок, а интроны остаются «внутри» ядра. Общее количество экзонов в любом человеческом гене варьируется, но в среднем их 8,4. Следовательно, для кодирования определенного белка геном должен знать, как выбрать нужный ген, а в нем выбрать экзоны, которые придется слепить вместе, чтобы получить нужный код.

Возьмем, к примеру, человеческий бета-глобин — часть молекулы бета-глобулина. Мы знаем, что молекула гемоглобина содержит в своем ядре один атом железа, окруженный двумя первичными и двумя вторичными белковыми единицами. В целом белок состоит из четырех различных частей — такой белок называется четвертичным. Если мы посмотрим на одну из двух одинаковых вторичных белковых единиц, то увидим, что это те же единицы, которые мутируют при серповидной клеточной анемии: мы обнаружим, что участок ДНК, кодирующий этот белок, содержит три экзона и два разделяющих их интрона.

На этом этапе нужно понимать, как активируется ген.

Если бы мы сошли с поезда и посмотрели повнимательнее на участок ДНК, который кодирует бета-гемоглобин, то увидели бы, что где-то ближе к началу первого экзона (помним, что декодирующий механизм движется по молекуле ДНК слева направо) у нас находится секция ДНК, известная как промотор — последовательность, которая обычно присоединяется к началу гена и представляет собой своего рода переключатель, активирующий или подавляющий его. Где-то подальше — может, на вполне значительном расстоянии — есть другие нити ДНК, которые работают как противодействующий регуляторный механизм, офис, полный бюрократов. Бюрократы отдают команду промотору: пора считывать ген. От них зависит, будет ли считан тот или иной ген — а это по-разному происходит в разных клетках, разных тканях и органах человеческого тела. Время экспрессии генов и их количество также зависит от ткани.

Затем промотор отдает команду гену на экспрессию ДНК. Так, в бета-глобине три экзона с разделяющими их интронами превращаются в соответствующую информационную РНК, а после этого (все еще внутри ядра) два интрона удаляются и оставшиеся три экзона соединяются вместе. И только после этого информационная РНК покидает ядро и отправляется к рибосомам в цитоплазме, которые производят белки.

Самый большой известный нам ген человека кодирует необходимый для нормального функционирования мышц белок дистрофин — 79 экзонов, разделенные 78 интронами. Как и в случае анемии, если этот белок затронут мутациями, может возникнуть наследственное заболевание. Например, мышечные дистрофии Беккера и Дюшенна — следствие отсутствия в коде целого экзона, что приводит к повреждению мембраны, окружающей мышечную ткань, и мышцы функционируют неправильно.

Понимание генетических механизмов возникновения таких болезней может помочь ученым-медикам находить лекарства, а в будущем — возможно, недалеком — разработать генетические методы их лечения. То, как работают экзоны и интроны, объясняет, как 20,5 тысячи генов могут кодировать 80–100 тысяч белков.

Ген, в котором, например, есть 14 экзонов и 13 интронов между ними, скорее всего, кодирует более одного белка. Все, что для этого нужно, — регулятивные механизмы, которые решают, какие экзоны слепить воедино, чтобы сделать информационную РНК, выбирая их различные сочетания. Теперь мы знаем, что все работает именно так. Возможность одного гена кодировать разные белки называется альтернативным сплайсингом. Мы также знаем, что эта способность универсальна для эукариотных организмов — всех животных, растений, грибов и простейших, чей геном содержится в ядрах клеток.

Теперь понятно, почему Нобелевский комитет в 1993 году решил отдать премию по физиологии/медицине Робертсу и Шарпу. В 2005 году дорогущая пристройка к химическому факультету Шеффилдского университета, где я когда-то учился, была названа именем Ричарда Дж. Робертса.

* * *

Как мы видим, первая из главных загадок, возникших после расшифровки человеческого генома в 2001 году, уже имела готовую разгадку. Однако еще две из них — обширные сегменты, похожие на вирусный геном, и пустые 50 % — еще только предстоит разгадать. До того как штурмовать новые высоты, нам нужно базовое понимание механизмов, которые могут изменять геномы существующих ныне видов и таким образом создавать новые формы жизни. Это потребует понимания основ эволюционной биологии и многих недавних открытий в этой широкой и очень интересной области науки.

9. Как изменяется наследственность

…Через десяток лет «Происхождение видов» произвели в биологической науке такую же революцию, как «Начала» в астрономии. По словам Гельмгольца, это объясняется тем, что в них содержится «абсолютно новая творческая мысль».

Томас Генри Гексли

Когда в 1859 году Дарвин впервые опубликовал свою теорию эволюции в книге «Происхождение видов путем естественного отбора», она вызвала настоящий шок в цивилизованном мире. Несмотря на то что в книге не было ни слова об эволюции человека, рассуждения о ней сквозили в каждой строке и каждой мысли. Учитывая, что у Дарвина не было реального понимания принципов работы наследственности, его рассуждения и сегодня кажутся провидческими. Он предположил, что природа осуществляет отбор по неким ключевым чертам или характеристикам, которые повышают вероятность выживания, точно так же, как заводчики животных или агрономы проводят отбор по таким свойствам, как размер зерна, качество шерсти, количество мяса, устойчивость к болезням или засухе и т. д. Вот только природный способ этого действия жесток и представляет собой игру на выживание. К примеру, большинство животных оставляют более двух потомков, однако размер популяции остается более или менее одинаковым. Дарвин понял, что эти потомки должны конкурировать друг с другом за скудные ресурсы и избегать хищников. Это приводит к яростной борьбе за выживание, и те, кто получает хотя бы минимальное преимущество с точки зрения неумолимой природы, имеют больше шансов. Если это преимущество определяется наследственностью, выжившие должны передавать его своим потомкам. Со временем (а Дарвин понимал, что это должно быть очень долгое время, в течение которого мелкие изменения будут постепенно накапливаться) таких преимуществ будет становиться все больше и больше, пока, наконец, потомки не станут существенно отличаться от оригинальной родительской линии и не появится новый вид. Размывание наследственных преимуществ уменьшится, если новый вид будет географически изолирован от старого (например, если две популяции будут разделены широкой рекой или горами или одна из них будет жить на острове). Со временем новый вид станет значительно отличаться от первоначальной популяции как физически, так и репродуктивно и не сможет скрещиваться с ее представителями.