Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

После прочтения генома (секвенирования) Корицы выяснилось, что у кошек есть 19 587 генов, кодирующих белки. А также 9438 некодирующих[7] генов, которые отвечают за производство “некодирующих” (нкРНК). С некоторыми типами нкРНК вы уже знакомы. Это рибосомные РНК, которые входят в состав рибосом, и транспортные РНК, которые доставляют аминокислоты для синтеза белка.

Особую роль в тонкой (громче/тише) “настройке” активности генов играют сайленсеры (от англ. silence – “молчание”) и энхансеры (от англ. enhance – “усиливать”). Как следует из названий, сайленсеры подавляют синтез белков, а энхансеры – его усиливают. Эти короткие (50–1500 пар нуклеотидов (п. н.)[8]) последовательности могут располагаться как рядом, так и очень далеко от гена, работу которого они регулируют. Прелесть их в том, что они тканеспецифичные, т. е. каждый такой элемент работает только в определенном месте организма и в определенный момент времени.

Благодаря всем этим регуляторам клетки в разных органах и тканях, имея один и тот же геном, выглядят по-разному и выполняют разную работу. Пигментная клетка кожи вырабатывает пигмент, нервная клетка передает импульсы, а мышечная клетка сокращается. Регуляторные РНК, сайленсеры и энхансеры как раз для того и нужны, чтобы в разных тканях выключать и включать определенные гены.

Кроме генов, кодирующих белки и нкРНК; энхансеров; сайленсеров и прочих полезных вещей, в геноме кошки, человека и других позвоночных находится огромная куча генетического “мусора”, среди которого можно найти кладбище погибших кораблей.

Под “кладбищем” имеются в виду псевдогены – нефункциональные генные останки, “сломанные” мутациями. Их у кошки насчитывается 494 штуки. Чаще всего – это копии нормальных белок-кодирующих генов. Вредные мутации их “сломали” и РНК с белком с них больше не синтезируются. В псевдогенах со временем накапливается все больше и больше мутаций, так что их сходство с работающими двойниками постепенно теряется. Псевдогены могут выглядеть как нормальные гены, но их выдает отсутствие функциональных промоторов – стартовых площадок транскрипции.

К этой же потенциально “мусорной” группе относятся следы деятельности геномных паразитов – ретровирусов. Это особая группа вирусов, которая научилась встраиваться в геном хозяина, притворяясь частью хозяйской ДНК. Сами ретровирусы и их обломки составляют примерно треть кошачьего генома. Это много, но все же меньше, чем у человека, у которого они занимают до половины всего генома. О них мы поговорим подробнее в главе 2.

Если у кошек есть 19 587 генов, кодирующих белки, то значит ли это, что в клетках кошек есть 19 587 разных белков? Нет! Белков у кошек (и всех остальных организмов) гораздо больше, чем белок-кодирующих генов. Откуда они берутся? Из кройки и шитья РНК белок-кодирующих генов. В начале каждого гена расположен промóтор – специальный участок – “вертолетная площадка”, на которую садится фермент РНК-полимераза и начинает синтезировать РНК. В конце каждого гена расположен терминатор – последовательность нуклеотидов, которая сигнализирует РНК-полимеразе, что синтез РНК пора заканчивать.

Что находится между промотором и терминатором? Там находится самое интересное: чередующиеся участки двух типов: экзоны и интроны. В экзонах закодирована по частям аминокислотная последовательность белка. Интроны, как правило, ничего не кодируют. В процессе созревания из РНК вырезаются все интроны, а экзоны сшиваются вместе, и получившаяся молекула становится мРНК, которая потом идет в рибосомы и используется там для трансляции.

Получается, что структура белка зашифрована не во всем гене, а только в его экзонах. Зачем тогда вообще нужны интроны? Для того, чтобы на основе одной и той же последовательности ДНК сделать несколько разных последовательностей РНК, а на их основе – несколько разных белков.

Любой ген начинается и заканчивается экзоном, то есть сначала идет экзон 1, потом – интрон 1, экзон 2, интрон 2 и так далее до последнего экзона, который оканчивается терминатором. Число экзонов в одном гене может сильно варьировать – от 1 до 365[9]. У гена тирозиназы, который нас сейчас интересует, всего 6 экзонов.

Оказалось, что не все экзоны могут попасть в зрелую мРНК. Некоторые экзоны могут быть пропущены, а некоторые интроны, наоборот, оставлены в мРНК. Например, в гене порядок экзонов такой: 1–2–3–4, а в мРНК, которая синтезируется с этого гена, экзоны расположены вот так: 2–3–4 или 1–2–4. В результате один и тот же ген может кодировать несколько разных белков! Это явление называется альтернативным сплайсингом. Отсюда и возникает поразительное белковое разнообразие при не очень поразительном разнообразии генов.

Для того чтобы специальные белки-закройщики отрезали интроны от экзонов, им нужны метки на РНК, показывающие, где кончается экзон и начинается интрон, и наоборот. Почти все (99%) интроны начинаются с нуклеотидов ГУ (помним, что в РНК тимин заменяется на урацил) и заканчиваются АГ¹². Эти две пары распознаются белками-закройщиками как начало и конец интрона, который нужно вырезать.

Вернемся к нашим котам. У сиамского кота в 940-й позиции от начала гена тирозиназы во втором экзоне находится аденин, а у несиамского кота – гуанин. Как и почему произошла эта замена?

Она произошла потому, что нет в жизни совершенства. ДНК копирует сама себя при каждом клеточном делении. Самокопирование ДНК происходит по тому же принципу комплементарности, как и синтез РНК: А к Т, Г к Ц. Перед началом клеточного деления двойная спираль ДНК освобождается от облепивших ее белков и расплетается, выставляя наружу свои неспаренные нуклеотиды. К ним-то и присоединяются свободные партнеры, а продольные сшивки между ними обеспечивает фермент ДНК-полимераза.

Процесс самокопирования (репликации) ДНК фантастически точен. Но не абсолютно. Время от времени случаются ошибки – мутации. Очень редко, 2,3 на 1 000 000 000 нуклеотидов в год¹³. Стоит мутации возникнуть, и она будет передаваться всем дочерним клеткам в каждом следующем цикле клеточного деления.

Мутация нашего сиамского кота возникла не у него, а когда-то очень давно в одной-единственной половой клетке у далекого предка всех сиамских котов, живущих сейчас на Земле.

Почему же замена всего одного нуклеотида, которая привела к замене одной аминокислоты, вызвала такие заметные изменения в окраске? В каждом белке есть вариабельные и консервативные районы. В вариабельных районах белка замена одной аминокислоты на другую не приводит к выраженным негативным последствиям. Если последствий от мутаций совсем нет, то такие мутации называют нейтральными. Другие части белка консервативны, но не потому, что мутации там редко возникают, а потому, что многие возникающие в таких местах мутации ведут к сильному нарушению работоспособности белка. Такие мутации считаются вредными. Иногда (гораздо реже, чем вредные и нейтральные) в этих местах возникают полезные[10] мутации, которые, например, повышают стабильность или активность белка.

Чем обусловлена такая разница в неприкосновенности различных частей белка? Консервативные районы белка – это те