«Неделя Дарвина» — традиционный марафон научно-популярных лекций от ведущих ученых Академгородка — завершился лекцией о геноме и геномике. За последние 50 лет генетиками сделано много неожиданных открытий, связанных с ДНК. В своей лекции «Происхождение сложности с точки зрения геномики» ведущий научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» кандидат биологических наук Нариман Рашитович Баттулин сравнил геном с космосом. Как и в космосе, в геноме много черной материи, а новые открытия порой рождают новые вопросы и сложности.
Куплю геном
Геномика — относительно молодая наука, которая сформировалась как особое направление в 1980—1990-х годах вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Любопытно, что еще в 1869 году Фрэнсис Гальтон, двоюродный брат Чарлза Дарвина, в своей книге «Наследственный гений» описал результаты исследования многих поколений музыкантов, судей, государственных деятелей, ученых, полководцев, писателей и художников как представителей класса выдающихся личностей. Он установил, что талантливость родственников знаменитой личности уменьшается со снижением степени родства с ней. Эту закономерность Гальтон считал доказательством генетической передачи незаурядных способностей от предка к потомку.
Масштабный проект по расшифровке человеческого генома начался в 1990 году. В США под руководством Джеймса Уотсона и под эгидой Национальной организации здравоохранения США был выпущен рабочий черновик структуры генома. Параллельно в дело расшифровки включился и частный бизнес. Основной объем секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Генетики смогли понять генетический код — систему записи информации о порядке расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК. Каждая аминокислота в ДНК закодирована в ДНК триплетом — тремя расположенными подряд нуклеотидами. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен. Можно сказать, что специалисты только выучили нотную грамоту, а как играть — еще предстоит научиться.
Однако прорыв в том, что сегодня любой из нас может пойти и купить в медицинской клинике свой геном, то есть заказать секвенирование своей ДНК.
В некоторых странах эта работа масштабирована, создаются национальные банки ДНК. Например, исландская компания deCODE genetics владеет генетической информацией двух третей населения Исландии. Эти данные в том числе используются для развития персонализированной медицины — индивидуального назначения терапии на основании генетических данных пациента. Собственные секвенаторы есть во многих лабораториях и медицинских центрах в большинстве стран. Хотя процедура стоит недешево.
Самый известный портрет генома человека в числах: 23 пары хромосом, самая длинная — первая хромосома. Одна молекула ДНК — нить длиной примерно в человеческий рост. При этом внутри клетки эта длинная нить упакована в специальный контейнер — ядро диаметром в десятую часть толщины волоса. Двойная спираль ДНК — самая известная биологическая молекула, а ее строение вдохновляет многих творческих людей. Например, в Сингапуре построен мост в виде молекулы ДНК, возводятся лестницы, похожие на нее, делаются украшения.
Хеликс Бридж — футуристический мост в Сингапуре, имеющий форму ДНК
В геноме три миллиарда буковок-нуклеотидов, слагающих его. Разобраться в логике их чтения, понять, как в ДНК записана та или иная информация — вот задача на будущее.
«Что мы знаем на сегодня? Есть гены, которые кодируют белок. Их не так много, всего 20 000, и последовательность, в которой ДНК записана, составляет всего 1,5 % генома. Однако есть участки, которые белок не кодируют, и что находится между этими участками, мы просто не знаем, для нас это первая сложность, — рассказывает Нариман Баттулин. — Вторая проблема в схеме генома — как энхансеры настраивают активность генов? А все живые организмы рождены благодаря сложности, заложенной в энхансерах».
Дерзкие энхансеры
Энхансеры (англ. enhancer — усилитель, увеличитель) — переключатели, своеобразные тумблеры. Они не всегда находятся в непосредственной близости от генов, активность которых регулируют, и даже не обязательно на одной с геном хромосоме. Чтобы выяснить функцию энхансеров, ученые используют генно-инженерные эксперименты.
«Чтобы узнать, где работает конкретный энхансер, делают искусственный ген, в котором этот энхансер соединяют с геном, продукт которого легко можно заметить, например светящийся белок. В итоге становится понятным расписание работы энхансера по тем частям организма, в которых появилось свечение. Было проведено несколько опытов с мышами. Из генома выделили энхансер и соединили с искусственным геном синего цвета. В результате эксперимента он окрасил части мышей. У одной мыши были окрашены лапки, у другой — мозг, у третьей — печень. То есть с помощью тумблера-энхансера мышь раскрашивалась в заданных местах. Таким образом, энхансеры задают временной и пространственный паттерн активности генов», — объясняет Нариман Баттулин.
Интересно, что размер генома может быть разным. У птиц он в три раза меньше, чем у человека, у лягушек в десять раз больше, чем у людей. Очень сложный геном у цветковых растений. А число энхансеров в геномах млекопитающих в разы превышает число белок-кодирующих генов. Почему так много — еще одна сложность.
Пытаясь разобраться в этом непростом вопросе, ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли с коллегами из научных учреждений США, Швейцарии и Испании экспериментально изучили свойства десяти энхансеров, участвующих в регуляции развития конечностей у мышиного эмбриона.
В двух случаях из трех (для Gli3 и Shox2) одновременное удаление пары энхансеров привело к серьезным дефектам. Потеря двух регуляторов гена Gli3 привела к снижению экспрессии этого гена, что на фенотипическом уровне проявилось в раздвоении больших пальцев на передних лапах. Потеря двух энхансеров гена Shox2 тоже привело к снижению экспрессии этого гена, а на уровне фенотипа — к недоразвитию бедренных костей.
Таким образом, хотя каждый энхансер по отдельности не является жизненно необходимым, удаление сразу двух энхансеров, регулирующих один ген, ведет к грубым нарушениям развития.
Родила кротиха в ночь…
«Какого пола крот из знаменитого чешского мультфильма? Когда я задаю этот вопрос студентам, многие отвечают, что это мальчик, так как в мультфильме крот встречался с девочкой-кротихой. Но это художественный вымысел. Кроты не отличаются по внешнему виду. Почему меня заинтересовали кроты? Да всё дело в статье из Science», — отмечает Нариман Баттулин.
Журнал Science опубликовал исследование международной команды ученых о том, что самки кротов интерсексуальны. Интерсексуальность обозначает смешанное проявление мужских и женских половых признаков у особей раздельнополых видов.
Команда ученых выяснила, что у самок кротов развиваются ткани и яичников, и семенников. Так кто кротиха: девочка или мальчик?
«Ген CYP17A1 — фермент, который производит тестостерон у всех животных. Все животные имеют по одному такому гену. А у кротов оказалось целых три! — объясняет Н. Баттулин. — В результате каких-то случайных мутаций ген утроился, его трепликация привела к увеличению экспрессии в гонадах. Поэтому самки кротов имеют такую же силу, как самцы. При этом надо заметить, что кротихи сохраняют фертильность».
Мыши стали сильнее после введения энхансера от крота
Как и у всех млекопитающих, у самок кротов есть две Х-хромосомы, но, несмотря на это, развиваются функциональные ткани, как яичников, так и семенников, которые объединены в один орган — овотестис, что очень редкое для млекопитающих явление. Ткань семенников самки крота вырабатывает большое количество мужских половых гормонов, в том числе тестостерон. После истории с кротами ученые решили поставить эксперимент на мышах. Грызунам добавили энхансер от крота и измерили силу в специальном тренажере. «Физкультура» заключалась в следующем: животное держали за хвост, мышь цеплялась за решетку и тянула решетку в течение пяти подходов. Силу зверьков регистрировали в наноньютонах. Результат: генетически модифицированные самки мышей после введения энхансера от крота становились сильнее, имели такой же высокий уровень андрогенов, как и у самцов. Фактически нивелировались различия между мышью-самцом и мышью-самкой.
Ноги в руки
Другой пример интересной мутации тоже описан в Science. «Среди голубей появились такие, у которых есть опушение на ногах. Нога превратилась в крыло. Как? Понятно, что изменения произошли не в самих генах, а энхансеры включили гены в определенных участках. Выяснилось, что за наличие или отсутствие перьев на лапах отвечает комбинация из двух генов. У птиц за развитие передней конечности отвечает ген Pitx1, а задней — ген Tbx5. При этом, когда ген Tbx5 малоактивен, а активность гена Pitx1, наоборот, ярко выражена, то на задних конечностях птиц развиваются перья. Вот так энхансеры превратили ноги в руки и наоборот. Конечно, не просто так примеры мутаций изучают на голубях. К сожалению, человеческие мутации приводят к результату, который не обещает ничего хорошего их носителям», — констатирует Н. Баттулин.
Один из вопросов работы на будущее для генетиков: какие геномы отвечают за формирование особенностей лица? В поисках ответа на этот вопрос ученые просеквенировали около 8 000 геномов. На каждого из испытуемых людей, кроме анализа ДНК, сделали 3D-фотографию, определили профиль лица. Затем сравнивали особенности лица человека и особенности его ДНК, чтобы понять, как гены делают нос с горбинкой или формируют узкие скулы. Выяснилось, что в энхансерах генов есть участки, отвечающие за создание нашего неповторимого профиля. К примеру, первый ген отвечает за длину подбородка, другие — за различные черты в облике носа, структура одного гена может определять положение основания носа, ширину переносицы.
«Хочется верить, что в ближайшем будущем по ДНК мы сможем реконструировать лицо человека, который ее где-то оставил. Говоря о будущих масштабах исследований в геномике, хочу процитировать Дугласа Адамса, автора моей любимой книги “Автостопом по Галактике”: “Космос велик. Страшно велик. Вы просто не поверите, насколько умопомрачительно он велик. К примеру, вы сетуете как далеко от вас аптека — но по сравнению с космосом это сущая чепуха”. Это всё можно применить и к геному. Геном велик, он страшно велик. Гены кодируют белки. Расписание работы генов определяется энхансерами, и именно изменение в энхансерах является драйвером для генерации разнообразия, которое затем поддерживается или не поддерживается отбором», — резюмирует Нариман Баттулин.
Светлана Уткина
Фото: из открытых источников (1), из презентации Наримана Баттулина (2), Юлии Поздняковой (анонс)
