Обнаружена изумительная сложность ДНК

Алекс Вильямс

Когда ученые, задействованные в Проекте Человеческого Генома, в 2003 году опубликовали свой первый план генома человека, они наперед знали, что:

1. Кодирующие сегменты (гены, определяющие белки) составляют маленькую часть общего количества ДНК в каждой клетке. Мы имеем приблизительно столько же генов, сколько у мышей (примерно 25000), что составляет всего лишь 3% всего генома.
2. Функции некодирующих сегментов (т.е. оставшиеся 97%) были практически неизвестны. Многие называли ее «мусорной ДНК»; они считали, что эта ДНК представляет собой неверно скопированные и измененные мутациями остатки, оставленные нашими предками на протяжении миллионов лет. Молекулярные систематики использовали эту «мусорную ДНК» как «молекулярный часовой механизм»-молчаливую историю мутаций, которая не была подвержена действию естественного отбора в течение многих миллионов лет, потому что эта ДНК не выполняет никакой функции. На основании данной идеи ученые построили множество эволюционных историй происхождения разных видов жизни.
3. Ранее считалось, что гены–это функциональные сегменты ДНК (экзоны), вставленные между нефункциональными сегментами (интроны), функция которых неизвестна. Когда ген считывается (копируется, транскрибируется в РНК), а затем транслируется в белок, интроны в процессе сплайсинга вырезаются, а экзоны склеиваются для производства функционального гена.
4. Копирование (транскрипция) гена начинается в специально обозначенном месте (СТАРТ), а заканчивается в особенном месте, обозначенном СТОП.
5. Переключатели генов (молекулы, называемые транскрипционными факторами) размещаются на хромосоме рядом с местом СТАРТ гена.
6. Транскрипция происходит в одном направлении, с места СТАРТ до конца СТОП.
7. Гены разбросаны по всей длине хромосом, наподобие бисера на нитке, хотя в некоторых областях находится больше генов, чем в других.

8. Photo sxc.hu

   ДНК–это молекула из двух закрученных спиралей, нечто подобное закрученной застежки-молнии. Одна нить ДНК дополняет другую, как стороны застежки. Ранее считалось, что только одна сторона «застежки» ДНК (называемая «смысловой» цепью) обеспечивает правильную последовательность для протеинов. Дополнительная цепь называется «несмысловой» цепью. Предполагалось, что образование белка (кроме редких исключений) происходит только в результате считывания смысловой цепи без какого-либо участия несмысловой цепи. При этом несмысловая цепь, по мнению ученых, играет роль шаблона для копирования смысловой цепи подобно тому, как фотонегатив используется для образования фотоснимка.

Теперь вся эта структура знаний была перевернута с ног на голову. Недавно осуществленный проект ENCODE сообщил результаты тщательного исследования транскриптов (копий РНК, сделанных из ДНК) всего лишь 1% человеческого генома.^1,2 Их открытия включают следующее:

1. Считывается примерно 93% генома (а не 3%, как ожидалось). Дальнейшее исследование может увеличить эту цифру до 100%. Так как для транскрипции требуется много энергии и идеальная согласованность, то это значит, что клетка, вероятно, использует весь геном и такого понятия, как «мусорная ДНК» просто не существует.
2. Экзоны не являются ген-специфическими (соотносящимися к генам), а есть модулями, которые могут присоединяться ко многим различным транскриптам РНК. Один экзон (т.е. одна часть одного гена) может использоваться в комбинации с различными генами (вплоть до 33), размещенных на 14 различных хромосомах. Это значит, что один экзон может кодировать одну часть, которая используется многими различными протеинами.
3. Гены не расположены в линию подобно «бисеру на нитке», они скорее имеют переслоенную структуру частично накладывающихся сегментов. При этой структуре 5, 7, 9 или больше транскриптов, происходят от одного «гена».
4. Не одна, а обе цепи (смысловая и несмысловая) ДНК полностью считываются (транскрибируются).
5. Транскрипция происходит не только в одном направлении-она происходит вперед и назад (!).
6. Транскрипционные факторы могут находиться на десятки или сотни тысяч пар оснований (нуклеотидов от) гена, который они контролируют, даже на разных хромосомах.
7. Существует не одно место СТАРТА, а множество, и расположены они в каждой генной области.
8. Для каждой области существует не одна система запуска считывания, а целый ряд.

Авторы делают следующий вывод:

«Переслоенная структура генов представляет собой значительный вызов для клетки. Сложность заключается, прежде всего, в использовании одних и тех же молекул ДНК для многих функций. Чтобы эта структура работала, необходимо решение во времени и в пространстве проблемы повторяющегося перекрытия функционально важной последовательности. Другой проблемой является необходимость разделения на отсеки РНК или маскирования РНК, которые потенциально могли бы образовывать длинные двухниточные области, и предотвращать РНК-РНК взаимодействия, способные приводить к апоптозу [запрограммированная смерть клетки]».

Это беспокойство за безопасность стольких молекул РНК, образуемых в таком маленьком пространстве, является вполне обоснованным. РНК представляет собой однонитевую молекулу, чем-то похожую на клейкую ленту, так как она приклеивается к любой расположенной поблизости поверхности, включая саму себя! И если процесс не будет четко скоординированным, вся РНК просто скомкается и превратится в липкую массу.

А таксономистам и молекулярным биологам, которые придумали множество эволюционных историй («филогенезы») развития организмов ничего не остается, как только оставить эти реконструкции, создаваемые в течение многих лет на основании идеи «мусорной ДНК», и ожидать проявления всех последствий этого открытия, дабы попытаться все переделать заново.

Одним из предположительно «веских» аргументов в пользу того, что люди имеют общего с шимпанзе предка–это присутствие у них общего «нефункционального» ДНК. Как видим, этот аргумент только что вылетел в трубу, потеряв всякий смысл.