Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

И все-таки тут есть одна странность. Вот прямо сейчас, когда я пишу эту главу (весной 2014 года), новостная рассылка принесла мне сообщение о том, что компания Novartis решила серьезно снизить темпы своих исследований в данной области20. Фармацевтический гигант ссылается главным образом на проблемы с выяснением того, как доставлять малые РНК в нужные ткани. Собственно, это вообще главная трудность, с которой сталкиваются при создании таких методов лечения. Пока что-то не видно никаких революционных открытий, которые помогли бы справиться с этой проблемой.

Наверное, когда-нибудь наука сумеет интерпретировать все возможные эпигенетические модификации генома и точно предсказать их последствия для генетической экспрессии. Мы научимся улавливать углеродные выбросы и придумаем, как основать колонии на Марсе. Туберкулез станет туманным воспоминанием, и все мы будем отлично понимать, что такое бозон Хиггса. Но вот что касается того, сумеем ли мы разгадать, почему среди инвесторов надежда так часто одерживает верх над опытом... Ладно вам. Будем реалистами.

Мы близимся к концу блужданий по темным закоулкам нашего генома. Внимательный читатель может заметить, что мы пока не рассмотрели тайну одного из заболеваний человека, впервые упомянутых еще в начале книги. Эта болезнь носит довольно неуклюжее название — плече-лопаточно-лицевая мышечная дистрофия (ПЛЛМД). При этом недуге постепенно тают мышцы лица, плеч и предплечий.

Болезнь возникает, когда будущий пациент наследует меньшее, чем нужно, количество повторов определенной нуклеотидной последовательности водной из копий хромосомы 4. Мутацию выявили еще несколько лет назад, но до самого последнего времени оставалось совершенно непонятным, почему она вызывает заболевание. Ведь рядом с этим генетическим дефектом, похоже, попросту нет никакого гена, кодирующего белки.

Но мы наконец-то обрели понимание того, каким образом возникают симптомы болезни. История впечатляющая. Она сводит воедино многие темы, с которыми мы уже встречались. Сейчас вы увидите, как ДНК, эпигенетика, генетические реликты и аномальный процессинг РНК осуществляют неслыханный патологический заговор1.

Небольшое напоминание. На каждой из нормальных копий хромосомы 4 указанная последовательность повторяется от 11 до 100 раз. Длина последовательности — чуть больше 3 тысяч пар нуклеотидных оснований. У больных ПЛЛМД число повторов меньше: на одной из копий хромосомы 4 у них встречается от одной до 10 таких последовательностей, расположенных подряд.

Здесь-то мы и сталкиваемся с первой сложностью. Есть люди, у которых число копий данного элемента ДНК составляет 10 или меньше, но при этом у них нет ПЛЛМД. Мышцы у них пребывают в совершенно здоровом состоянии. Малое количество повторов вызывает проблемы, лишь если оно наблюдается на копии хромосомы 4 и лишь если эта копия обладает особым свойством.

Чтобы осознать важность этого особого свойства, не помешает подробнее взглянуть на состав повторяющихся элементов. Оказывается, все они содержат некий ретроген[79]. Ретроген — одна из форм мусорной ДНК. Он возникает, когда информационная РНК нормального гена клетки копируется обратно в ДНК и снова встраивается в геном. Во многом это напоминает процесс, показанный на рис. 4.1. Он происходил еще давным-давно, в нашем эволюционном прошлом.

Поскольку ретрогены изначально создаются на основе матриц информационной РНК, в них часто отсутствуют регуляторные последовательности, свойственные нормальным генам. Ретрогены не содержат сплайсинговых сигналов (поскольку матрица информационной РНК уже прошла сплайсинг перед копированием в ДНК). У них нет областей-промоторов и областей-энхансеров. Но некоторые из ретрогенов все-таки могут использоваться для создания информационной РНК. Именно так обстоит дело с ретрогеном ПЛЛМД. Однако обычно это не имеет значения, ибо такая РНК не функционирует в клетке должным образом. Она не содержит в себе нужных сигналов, побуждающих клетку добавлять цепочку оснований А к концу информационной РНК (этот процесс показан на рис. 16.5). Поэтому такая информационная РНК нестабильна и не может использоваться как матрица для производства белка.

Но если человек обладает лишь небольшим количеством повторов ПЛЛМД-элемента и если на хромосоме 4 имеются все другие свойственные ей последовательности, «окончательная» копия ПЛЛМД-ретрогена может подвергаться сплайсингу, порождая еще одну — дополнительную — последовательность. В результате на конце информационной РНК появляется сигнал, который позволяет клеточной аппаратуре пристраивать череду оснований А к этому концу. Такое добавление оснований А, в свою очередь, стабилизирует данную информационную РНК. Она преспокойно доставляется в рибосомы, где служит матрицей для производства белка — того самого белка, который никогда не должен экспрессироваться в зрелых мышечных клетках.

ПЛЛМД-белок регулирует экспрессию других генов, соединяясь с определенными ДНК-последовательностями. Сам он обычно экспрессируется только в генеративной, зародышевой линии — в половых клетках, которые производят яйцеклетки и сперматозоиды. Пока не существует четкого и убедительного объяснения, почему экспрессия данного белка вызывает увядание мышц. Возможно, тут задействован целый ряд механизмов. Может быть, этот белок активирует гены, провоцирующие отмирание мышечных клеток. Или приводит к потере стволовых клеток мышечной ткани — вероятно, посредством активирования других ретрогенов и захватчиков генома, которых следует держать в пассивном состоянии. Есть интригующая возможность: не исключено, что мышечные клетки, экспрессирующие ПЛЛМД-белок, разрушаются собственной иммунной системой пациента.

Генеративная линия — ткань, которая считается иммунологически привилегированной, поскольку обычно она изолирована от клеток нашей иммунной системы. А значит, нашей иммунной системе так никогда и не удается проведать о том, что клетки иммунологически привилегированных зон являются нормальной составной частью нашего организма. Если белки генеративной линии экспрессируются в зрелых мышечных клетках, иммунная система может отреагировать на них как на чужеродные организмы и атаковать клетки, экспрессирующие эти компоненты, с которыми иммунная система прежде никогда не сталкивалась.

Таким образом, ПЛЛМД показывает, какую важную роль играет мусорная ДНК при заболеваниях. Генетический дефект приводит к изменению некоторого количества мусорной ДНК. Вследствие этого некий мусорный элемент экспрессируется, а затем и модифицируется путем добавления к нему какой-то мусорной последовательности. Мало того: ПЛЛМД-ретроген стабильно экспрессируется лишь при определенной картине эпигенетических модификаций.

В нормальных клетках ПЛЛМД-повторы обычно экспрессируются, когда клетки находятся в плюрипотентном состоянии (в таком состоянии находятся, к примеру, эмбриональные стволовые клетки). На данной стадии ПЛЛМД-повторы покрыты активирующими эпигенетическими модификациями. Однако при дифференциации клеток активирующие модификации заменяются репрессивными и данная область отключается. Но если плюрипотентные клетки создаются в организме больного ПЛЛМД, активирующие модификации не заменяются при дифференциации клеток и область повторов остается включенной.