Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

А вы говорите — мусор.

Фильм «Поменяться местами» (1983) с Дэном Эйкройдом, Эдди Мёрфи и Джейми Ли Кёртис в год своего выхода наделал много шума, собрав в американском прокате больше 90 миллионов долларов1. Это комедия с хитро закрученной интригой. В основе сюжета лежит, в сущности, исследование того, как на человека влияют его гены, а как — среда, в которой он находится. Почему человек добивается успеха — благодаря врожденным талантам или же из-за особенностей среды, в которую помещен? Создатели фильма явно склоняются ко второму варианту ответа.

Что-то похожее происходит и в наших геномах. Отдельный ген может играть сравнительно невинную роль. Благодаря ему определенный белок будет вырабатываться со строго определенной скоростью. И одним из важнейших факторов, контролирующих количество синтезируемого белка, является положение гена в хромосоме.

А теперь представим себе, что этот ген перенесли в новое окружение — подобно тому, как герой Дэна Эйкройда оказывается в трущобах, а персонаж Эдди Мёрфи — в богатом особняке. В новой среде наш перемещенный ген окружен новой для него геномной информацией, которая призывает его вырабатывать гораздо более высокие дозы белка. А повышенное содержание белка, в свою очередь, побуждает клетку расти и делиться быстрее, чем обычно. Это может стать началом развития рака. В самом гене ничего плохого нет, он просто в неподходящее время очутился в неподходящем месте.

Причина этого процесса — одновременный разрыв двух хромосом в одной клетке. Когда хромосома разрывается, клеточная «ремонтная аппаратура» тут же находит место разрыва и снова сшивает два куска. Обычно такой ремонт протекает довольно гладко. Но если в одно и то же время разорвутся две хромосомы (или больше), могут возникнуть проблемы. Концы хромосом могут оказаться связанными не так, как нужно (см. рис. 5.1). В результате хороший ген может оказаться в дурном обществе и стать причиной неполадок. Особенно это важно из-за того, что перекроенные таким путем хромосомы передаются всем последующим поколениям этой клетки. Возможно, самый известный пример здесь — разновидность рака крови человека, именуемая лимфомой Бёркитта. Реаранжировка здесь происходит между восьмой и четырнадцатой хромосомой. Это приводит к очень сильной сверхэкспрессии гена[7], что побуждает клетку размножаться самым агрессивным образом2.

Рис. 5.1. Вверху: одиночная хромосома претерпевает разрыв. Клеточная аппаратура чинит ее. Внизу: две хромосомы разрываются одновременно. Клеточная аппаратура может не суметь разобраться, какой хромосоме принадлежат куски. Хромосомы могут оказаться сшитыми неправильно. Так возникают гибридные хромосомные структуры.

К счастью, разрыв двух хромосом, судя по всему, довольно редко происходит одновременно. Чаще они разрываются с некоторым интервалом во времени. Поэтому клеточная аппаратура для ремонта ДНК научилась в процессе эволюции действовать весьма стремительно. В конце концов, чем быстрее она справится с разрывом, тем ниже вероятность, что в клетке одновременно будут иметь место два разрыва (или больше). Аппаратура для ремонта ДНК приходит в действие, как только клетка обнаруживает, что в ней имеется оторванный кусок ДНК. У клетки есть специальные механизмы, позволяющие ей обнаружить конец такого куска — место разрыва.

Но это порождает целый ряд новых проблем. Наша клетка содержит 46 хромосом, и все они линейны. Иными словами, в каждой нашей клетке всегда есть 92 конца хромосом (ибо у хромосомы два конца). Ремонтная аппаратура должна уметь как-то отличать совершенно нормальные концы хромосом от аномальных, появившихся в результате разрывов.

Для этого клетки обзавелись особыми структурами на нормальных концах хромосом. Вы носите обувь на шнуровке? Если да, то взгляните-ка на свои шнурки. На каждом конце у них небольшой колпачок из металла или пластмассы — наконечник, который мешает шнурку расплестись и растрепаться. У наших хромосом тоже есть наконечники. Эти штуковины чрезвычайно важны для поддержания целостности генома.

Хромосомные наконечники называются теломерами. Они построены из одной формы мусорной ДНК, много лет известной ученым, и комплексов различных белков. Теломерная ДНК составлена из многократных повторов одной и той же последовательности 6 пар нуклеотидов — ТТАГГГ3. На концах у каждой хромосомы, содержащейся в пуповинной крови новорожденного, имеется в среднем примерно по 10 тысяч таких нуклеотидных пар4.

Теломерная ДНК помещена в своего рода каркас из белковых комплексов, помогающих ей поддерживать структурную целостность. Термин «теломера» относится как раз к этой комбинации определенной мусорной ДНК и связанных с ней белков. Еще в 2007 году важность этих белков убедительно продемонстрировали исследователи, ставившие опыты на мышах. Они подавили экспрессию одного из таких белков, полностью деактивировав соответствующий ген, и обнаружили, что получавшиеся при этом мышиные эмбрионы гибнут уже на ранних стадиях развития[8].

Исследуя хромосомы таких генетически модифицированных мышей, ученые обнаружили, что многие хромосомы оказались сшитыми друге другом. Иными словами, они соединились концами. Дело в том, что клеточная аппаратура для ремонта ДНК утратила способность опознавать теломеры. Она сочла, что имеет дело с кучей разорванных хромосом, и выполнила работу, которую выполняет лучше всего, то есть просто сшила их. К сожалению, при этом экспрессия генов пришла в полный хаос. В конце концов функционирование хромосом и самих клеток настолько сильно нарушилось, что это привело к одной из разновидностей клеточного самоубийства[9], полностью остановив развитие организма.

Еще одно свойство теломер представляет большой интерес с точки зрения биологии и человеческого здоровья. Еще в 1960-е годы специалисты изучали, как клетки делятся в лабораторных условиях. Ученые не работали с линиями раковых клеток, поскольку те происходят от клеток, которые стали бессмертными из-за аномальных изменений. Вместо этого они изучали фибробласты — одну из разновидностей клеток, имеющуюся в целом ряде тканей человеческого организма. Фибробласты вырабатывают так называемый внеклеточный матрикс — что-то вроде толстых пастообразных обоев, которые удерживают клетки на месте. Довольно легко сделать биопсию (скажем, кожи) и выделить фибробласты. Они будут расти и делиться, образуя культуру клеток. Таким путем ученые еще довольно давно установили, что клетки в общем-то не могут делиться вечно. Рано или поздно наступает момент, когда они прекращают деление, даже если их по-прежнему снабжают всеми необходимыми питательными веществами и кислородом. Клетки не умирают, они просто перестают размножаться. Это так называемое клеточное старение5.