С середины XX столетия стало известно, что информация о физических чертах от характера кожного покрова до размера мозга находится в ДНК. Тем не менее до недавнего времени было невозможно точно установить, изменения в нуклеотидных последовательностей ДНК ответственны за придание живым организмам их уникального внешнего вида.
Биологи занимаются расшифровкой ДНК, чтобы найти чертежи, которые отличают различные виды насекомых, рыб или птиц друг от друга, и нас, людей, от шимпанзе. И это привело к кардинальному изменению точки зрения в научном сообществе. Большую часть последних 50 лет исследователи уделяли основное внимание генам – нуклеотидным последовательностям в ДНК, которые кодируют аминокислотные цепи, образующие белки. Но, к удивлению, оказалось, что очень разные животные обладают очень похожими наборами генов. При этом в ДНК обнаружили генетические переключатели, не кодирующие белков, но регулирующие, где и когда используются гены. Изменения в этих переключателях имеют решающее значение для формирования уникальной морфологии видов и позволяют по-новому взглянуть на то, как эволюционировали кажущиеся бесконечными формы живой материи.
Долгое время учёные, безусловно, ожидали, что анатомические отличия между животными найдут отражение в содержимом их генотипов. Однако, когда сравниваются геномы млекопитающих – мышей, крыс, собак, людей и обезьян, мы замечаем, что их каталоги генов на удивление похожи. Определённое число генов в геноме каждого организма и взаимное расположение многих из них с завидным постоянством поддерживались на протяжении сотни миллионов лет эволюции. Это не значит, что нет различий в количестве и местоположении генов, но, на первый взгляд, в этих генетических файлах ничто не указывает конкретно на «мышь», «собаку» или «человека». Например, сравнивая геномы мыши и человека, биологи могут идентифицировать мышиный аналог по крайней мере для 99% всех наших генов.
Когда биологи проводят детальное изучение отдельных генов, они также обнаруживают сходство между видами. Последовательности ДНК любых двух версий гена, а также кодируемые ими белки, как правило, схожи до такой степени, что просто отражают время, прошедшее с момента, когда два вида разделились в процессе эволюции. И такое сохранение кодирующих последовательностей на протяжении весьма длительного периода времени весьма озадачивает.
Только небольшая часть всех генов – менее 10% – участвуют в формировании организма в процессе его развития от двух слившихся половых клеток до взрослой особи. Другие 90% – работают для решения повседневных метаболических задач клеток. Анатомические отличия между животными – разница в размере, форме, количестве или цвете частей тела – должны каким-то образом включать гены для построения тела.
Например, большая часть наших белков отличаются от таковых у шимпанзе лишь одной или двумя из сотен аминокислот, входящих в каждый белок, 29% которых абсолютно идентичны по последовательности. Как мы объясняем это несоответствие между эволюцией на двух уровнях – белков и анатомии? Где-то во всей этой ДНК должны быть значимые различия, которые эволюционировали.
У людей участки ДНК, кодирующие белки, составляют всего около 1,5% генома – гены похожи на маленькие островки информации в огромном океане последовательностей ДНК. Большая часть ДНК не кодирует белки и учёные до сих пор не знают её функции. Однако некоторые из этих последовательностей играют очень важную роль – они регулируют экспрессию генов. И именно эти участки являются ключом к эволюции.
Экспрессия гена обеспечивает транскрипцию ДНК в версию матричной (информационной) РНК (мРНК), а затем и трансляцию этой мРНК – синтез белка. Экспрессия большинства генов регулируется именно на уровне транскрипции. Клеткам нецелесообразно тратить энергию на выработку мРНК и синтез белков, которые им не требуются. Таким образом, многие гены экспрессируются только специфичным для органа или типа клетки образом. Определённые некодирующие последовательности ДНК решают когда и где это происходит. Эти компоненты генетических переключателей, включающие или выключающие гены в нужное время и в нужном месте в организме называются энхансерами. ДНК-связывающие специфичные белки – факторы транскрипции, распознают необходимые последовательности ДНК. Связывание факторов транскрипции с энхансером определяет, включены или выключены переключатель и ген в конкретной клетке.
Исследования эволюции регулирующих генов только начинаются. И сотни тысяч генетических переключателей в геномах ещё предстоит обнаружить и исследовать. Однако биологи уже изучают новые принципы, которые имеют прогностическую ценность для будущих исследований: эволюционные изменения в анатомии, особенно те, которые связаны с плейотропными генами, с большей вероятностью произойдут через изменения в усилителях генов, чем в самих генах.
Этот феномен также показывает, насколько у очень разных групп животных могут быть общие, если не все, гены, участвующие в формировании структуры тела – вопреки первоначальным ожиданиям учёных.
Вопрос заключается в том, как и когда используются гены, которые формируют многообразие столь различных форм животного царства. Если мы действительно хотим понять, что отличает человеческую форму от других обезьян или, что отличает слона от мыши, то большая часть этой информации содержится не в наших соответствующих генах и белках, а в совершенно другой области наших геномов, которую ещё предстоит изучить.
Однако краеугольным камнем в биологии остаётся вопрос о том как происходят и закрепляются полезные изменения (мутации) и как организм защищает себя от мутаций вредных. Другими словами, существует ли регуляция мутагенеза, ибо если допустить, что этот процесс неконтролируем и носит случайный характер, то, после расчёта вероятностей станет понятным, что и сотен миллионов лет эволюции не хватит для возникновения такого многообразия видов на планете. И то, что мутации не являются случайными доказывает наблюдение за придорожным сорняком, растением Arabidopsis thaliana. Учёные обнаружили, что этот организм предотвращает внесения изменений в важные для него гены, но при этом другие участки генома оставляет «открытыми» для мутаций. Некоторые бактерии используют CRISPR-кассеты в своей ДНК для занесения в свой геном изменений, позволяющих им защищаться от бактериофагов – поражающих их вирусов.
***
Именно за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов 7 октября 2024 года получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии Виктор Эмброс (Массачусетский университет) и Гэри Равкан (Гарвардская медицинская школа). Их открытие выявило совершенно новый принцип регуляции генов, который оказался существенным для многоклеточных организмов, включая людей.
Премия Виктора Эмброса и Гэри Равкана этого года очень сильно пересекается с «нобелевкой», которую вручили в 2006 году Эндрю Файеру и Крэйгу Мэллоу за открытие РНК-интерференции. Они обнаружили этот механизм в растениях, и описывали его как средство борьбы растений с вирусами. Потом выяснилось, что это такой глобальный, всеобъемлющий механизм, который есть и у животных.
То есть эволюции нужно было «придумать» систему регуляции генов так, чтобы можно было, комбинируя имеющееся количество генов, создавать разные программы для разных типов клеток. Одним из инструментов стала РНК-интерференция.
Термин «интерференция» происходит от латинских слов: inter — «между» и «ferens» — несущий, переносящий. То есть это процесс, когда что-то куда-то вторгается, чему-то мешает. В данном случае РНК-интерференция мешает трансляции (процесс синтеза белка из аминокислот на матрице матричной РНК). Но также РНК-интерференция может быть на стадии транскрипции (процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы). В любом случае, РНК-интерференция мешает либо синтезу белка, либо синтезу мРНК. Таким образом, это один из механизмов, благодаря которому составляется программа, по которой формируется та или иная клетка.
У животных за РНК-интерференцию, по большей части, отвечает микроРНК. От нее зависят те самые направляющие механизмы, которые позволяют системно изменить определенную программу.
Эмброс и Равкан вначале нашли конкретную пару, то есть микроРНК и ее таргетную матричную РНК, которую она блокирует. Но обычно мишеней существенно больше, чем одна.
Конкретные последовательности микроРНК эволюционно отбирались, чтобы редактировать не один ген, а сразу много, то есть фактически системно перенастраивать трансляционную программу клетки. И таким образом мы получаем системные настройки, которые позволяют мышечной клетке быть мышечной, нейрону — стать нейроном и так далее.