Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Рис. 7.2. Схема показывает, как появляются пятна рыжего или черного меха у черепаховых кошек (женского пола) в зависимости от инактивации X-хромосом, происходящей случайным образом. Гены, отвечающие за окраску шерсти, находятся в X-хромосоме. Если черная версия гена располагается в хромосоме, инактивируемой на ранней стадии развития эмбриона, все потомки этой клетки будут экспрессировать лишь рыжую версию гена. Обратная ситуация возникает, если инактивируется X-хромосома, несущая ген рыжести.

В 2002 году ученые весьма впечатляюще продемонстрировали, насколько случайным является процесс X-инактивации. Они клонировали трехцветную кошку. Взяв клетки взрослой кошки, они выполнили стандартную (но все равно ужасно сложную и хитроумную) процедуру клонирования. Для этого они взяли ядро из клетки взрослой кошки и поместили его в кошачью яйцеклетку, из которой предварительно удалили ее собственные хромосомы. Затем эту яйцеклетку подсадили кошке, игравшей роль суррогатной матери. Вскоре у этой кошки родился красивый и энергичный котенок женского пола. И что бы вы думали? Юная кошечка вовсе не оказалась генетически тождественной той, которую клонировали18.

Когда такую процедуру осуществляют для клонирования животных, яйцеклетка обращается с новым ядром так, как если бы оно являлось естественным продуктом слияния какой-то яйцеклетки с каким-то сперматозоидом, очутившимся в ней обычным путем. Она извлекает из ДНК столько информации, сколько возможно, тем самым снова обретая базовую генетическую последовательность. Это происходит не так эффективно, как с обычной яйцеклеткой и сперматозоидом, в чем и состоит одна из причин, по которым доля успешных клонирований такого типа пока еще очень низка. Но иногда (как в данном случае) процесс идет как планировалось, и на свет все-таки появляется клонированное животное.

Когда ядро кошки-матери поместили внутрь яйцеклетки другой кошки, эта яйцеклетка внесла свои изменения в полученные таким путем хромосомы. В частности, удалила инактивирующие белки одной из X-хромосом и отключила экспрессию Xist. Так что в течение краткого периода на ранней стадии развития обе копии X-хромосомы являлись активными. Эмбрион развивался дальше. На стадии, когда он состоял примерно из сотни клеток, он подвергся обычному процессу случайной инактивации X-хромосомы в каждой клетке. Характер инактивации X-хромосом стандартным путем передавался дочерним клеткам. Поэтому юная кошка стала обладать иным узором рыжих и черных пятен по сравнению со своей клональной «матерью».

Какова мораль этой истории? Если у вас есть трехцветная кошка, которую вы считаете необычайно красивой, не скупитесь на фотографии и видео. После ее смерти можете даже вызвать таксидермиста, чтобы он сделал чучело. Но если к вам постучится странствующий клонировщик, гоните его прочь. Он не поможет вам увековечить уникальное животное.

Не один год Xist-РНК считалась аномалией, странным молекулярным «выбросом», оказывающим чрезвычайно необычное влияние на экспрессию генов. Даже когда открыли Tsix, все равно многие считали возможным полагать, будто мусорные РНК участвуют лишь в жизненно необходимом, но уникальном процессе X-инактивации. Только в последние годы ученые начали осознавать, что человеческий геном экспрессирует тысячи молекул такого типа, и что они играют неожиданно важную роль в нормальном функционировании клеток.

Сегодня мы относим Xist- и Tsix-РНК к обширному классу длинных некодирующих РНК. Этот термин не очень точен: конечно же, имеются в виду РНК, которые не кодируют белки. Как мы увидим, длинные некодирующие РНК преспокойно кодируют другие функциональные молекулы. И эти функциональные молекулы сами представляют собой длинные некодирующие РНК.

Длинные некодирующие РНК определяются как молекулы, длина которых превышает 200 нуклеотидных оснований (цифра взята довольно-таки произвольно) и которые не кодируют белки, что отличает их от информационной РНК. Двести оснований — нижний предел размера. Самые крупные из таких некодирующих РНК могут насчитывать по сотне тысяч оснований. Подобных РНК множество, хотя ученые расходятся во мнении относительно их общего числа. По различным оценкам, в геноме человека их содержится от 10 тысяч до 32 тысяч1,2,3,4. Но хотя длинных некодирующих РНК существует много, уровень их экспрессии обычно не так высок, как у классических информационных РНК, кодирующих белки — как правило, менее 10% от уровня экспрессии средней информационной РНК5.

Такая сравнительно низкая экспрессия любой из длинных некодирующих РНК — одна из причин, по которым на них до недавних пор не обращали особого внимания. В сущности, при анализе экспрессии молекул клеточной РНК длинные некодирующие РНК раньше просто не удавалось надежно детектировать, поскольку методы анализа не отличались достаточной чувствительностью. Но теперь ученые знают о существовании таких РНК, а следовательно, могли бы полагать, что сумеют полностью проанализировать геном любого организма (в том числе и человеческого) и предсказать существование таких РНК, просто исходя из вида ДНК-последовательности. В конце концов, генетики отлично научились делать такие предсказания для генов, кодирующих белки.

Однако для длинных некодирующих РНК это не так-то просто по целому ряду причин. Известно, как идентифицировать предполагаемые гены, кодирующие белки, поскольку такие гены обладают некоторыми удобными свойствами. Возле начала и конца таких генов есть определенные последовательности, которые помогают нам их искать. Кроме того, они кодируют предсказанные нами аминокислотные звенья, что еще больше укрепляет нас в уверенности: мы имеем дело с геном, кодирующим белок. Наконец, большинство генов, кодирующих белки, окажутся похожими, если рассматривать определенный ген у разных видов. А значит, выявив «классический» ген у животного вроде иглобрюха, легко будет в дальнейшем использовать найденную последовательность как основу для анализа человеческого генома с целью выяснения, имеется ли похожий ген у нас самих.

Но длинные некодирующие РНК не имеют таких ярко выраженных нуклеотидных индикаторов (в отличие от генов, кодирующих белки). Кроме того, у разных видов они сильно отличаются. Таким образом, знание нуклеотидной последовательности длинной некодирующей РНК какого-то другого вида едва ли поможет нам идентифицировать функционально схожую с ней последовательность в геноме человека. Менее 6% из представителей одного специфического класса длинных некодирующих РНК рыбы данио-рерио, популярного модельного животного, явно имеют аналогичные последовательности у мышей и человека6. Лишь примерно 12% представителей того же класса длинных некодирующих РНК, обнаруживаемых у человека и мышей, можно найти у каких-то других животных7,8. Такое сравнительно слабое сохранение длинных некодирующих РНК в разных видах подтвердилось в ходе недавнего исследования, где сравнивалась экспрессия длинных некодирующих РНК из различных тканей разных видов четвероногих. Четвероногие (тетраподы) — все сухопутные позвоночные, в том числе и те, что «вернулись в море» (скажем, киты или дельфины). Исследователи сообщают, что 11 тысяч длинных некодирующих РНК обнаруживаются лишь у приматов. Лишь 2500 таких РНК являются общими для всех тетрапод, и только 400 из них можно отнести к древним, то есть (по определению авторов исследования) к таким, которые возникли свыше 300 миллионов лет назад, примерно в ту эпоху, когда разошлись эволюционные пути амфибий и других тетрапод. Авторы полагают, что эти древние длинные некодирующие РНК — как раз те, которые во всех организмах регулируются наиболее активно, и что они, вероятно, играют роль главным образом на ранних стадиях развития организма9. На самых ранних стадиях эмбриогенеза большинство позвоночных выглядят очень похоже. Так что логично предположить: в самом начале нашей жизни мы и все наши близкие и дальние эволюционные родичи используем схожие пути и механизмы развития.