«Мусорная» ДНК — пещера Аладдина с геномными сокровищами

Человеческий геном состоит из 3,42 миллиардов нуклеотидов, упакованных в 23 пары линейных хромосом. Большая часть геномов млекопитающих имеет сопоставимый размер: в мышином содержится 3,45 миллиарда нуклеотидов, в геноме крыс — 2,90 миллиарда, коров — 3,65 миллиарда. Нуклеотиды составляют количество генов равное примерно 35 000. Конечно, существуют и крайности: например, летучие мыши вида Обыкновенный длиннокрыл (Miniopterus schreibersi) имеют относительно небольшой геном в 1,69 миллиарда нуклеотидов, Красная крыса вискача (Tympanoctomys barrerae) имеет геном длиной 8,21 миллиарда нуклеотидов. Среди позвоночных животных наиболее вариабелен размер генома у рыб: геном Зеленого тетраодона (Chelonodon fluviatilis) содержит всего 0,34 миллиарда нуклеотидов, а у Мраморных легких рыб или Мраморных протоптеров (Protopterus aethiopicus) геном гигантский, состоящий из почти 130 миллиардов нуклеотидов. При этом у большинства видов наблюдается «избыток» ДНК, которая не кодирует белки. У людей, например, только около 2 % ДНК фактически кодирует белки [1].

На протяжении десятилетий ученые были озадачены этим явлением. Некодирующая часть генома была объявлена ​​бесполезной или «эгоистичной ДНК», не способствующей адаптации организма. Идея «мусора» в генетическом материале предшествовала геномным исследованиям и основывалась на парадоксе С-значения (С-значение обозначает содержание гаплоидной ядерной ДНК) — наблюдении, что количество ДНК и сложность структуры плохо коррелируют со сложностью организма или уровнем эволюционного развития [2].

В 1972 году генетик Сусуму Оно ввел термин «мусорная ДНК», чтобы описать все некодирующие участки генома, большая часть которых состоит из повторяющихся сегментов, хаотично разбросанных по всему геному.

Как правило, эти участки ДНК возникают в результате транспозиции или перемещения участков ДНК в разные точки в геноме (из донорского в реципиентный). Эти дискретные нуклеотидные фрагменты ДНК с вариабельной локализацией в хромосоме представлены транспозонами и их более мелкими фрагментами — мобильными генетическими элементами, которые буквально копируют (произвольное число раз, вплоть до миллиона) или «вырезают» себя из одной части генома и повторно внедряются в другом месте [3].

Хотя термин «мусорная ДНК» очень броский, он отталкивал многих исследователей от изучения некодирующего генетического материала в течение многих лет. В конце концов, кто хотел бы копаться в геномном мусоре? К счастью, некоторые энтузиасты, рискуя быть высмеянными, исследовали данную тему. И именно из-за них в начале 1990-х взгляд на нежелательную ДНК, особенно на мигрирующие элементы, начал меняться (рис. 1) [4]. Фактически, все больше и больше биологов теперь считает повторяющиеся элементы «неограненным алмазом» с недостаточно изученным, но широким потенциалом. Они взаимодействуют с окружающей геномной средой и увеличивают способность организма адаптироваться, служат основой для генетической рекомбинации и продуцируют сигналы для регуляции экспрессии генов [5].

Рисунок 1 | Новые возможности «мусорной» ДНК.

Геномы — это динамические объекты: появляются новые функциональные элементы, а старые исчезают. Так, мусорная ДНК может эволюционировать в функциональную ДНК. Биолог-эволюционист Стивен Джей Гулд и палеонтолог Элизабет Врба использовали термин «экзаптация» — явление, заключающееся в приспособлении существующих свойств к новым потребностям в измененных условиях [6]. Разные геномные объекты могут играть новые роли, независимо от их первоначальной функции, и даже в том случае, если изначально они не имели никакой функции.

Новые геномные элементы обнаруживаются даже после полногеномного секвенирования. Джилл Беджерано и его коллеги обнаружили, что в ходе эволюции позвоночных новый ретропозон — фрагмент ДНК, обратно транскрибированный из РНК, действует как энхансер, который стимулирует транскрипцию гена. Он способен проявлять активность в вариабельных позициях по отношению к промотору [7].

С другой стороны, анонимные последовательности, которые не функционируют у одного вида, могут в другом организме стать экзоном — частью ДНК, которая в конечном итоге транскрибируется в РНК-мессенджер.

Эти и бесчисленные другие примеры демонстрируют, что транспозоны — это не «мусорные» фрагменты, они являются неотъемлемыми компонентами эукариотических геномов (рис. 2) [8]. Эволюция слишком разумна, чтобы информация, закодированная в транспозонах, была дейтсвительно бессмысленной.

Рисунок 2 | Идея геномного баланса. Для этих грузовых судов маленькие ящики с мусором являются балластом. Они должны быть распределены так, чтобы не допустить неисправность. В то время как большая нагрузка может снизить стабильность и уменьшить маневренность судна (вверху), небольшая нагрузка не нарушает хода судна (в середине массива ящиков). Если баланс нарушается, корабль заваливается на тяжелую сторону и мусор сбрасывается в море. И поскольку мы рассматриваем грузовой корабль, без ящиков с мусором его ценность низка, он неконкурентоспособен на рынке грузового транспорта [8].

1. Doolittle WF, Brunet TDP. On causal roles and selected effects: our genome is mostly junk. BMC Biol.2017;15(1):116.
2. Todd CD, Deniz Ö, Taylor D, Branco MR. Functional evaluation of transposable elements as enhancers in mouse embryonic and trophoblast stem cells. Elife. 2019;8. pii: e44344.
3. Platt RN 2nd, Vandewege MW, Ray DA. Mammalian transposable elements and their impacts on genome evolution. Chromosome Res. 2018;26(1-2):25-43.
4. Graur, D., Zheng, Y., & Azevedo, R. B. (2015). An evolutionary classification of genomic function. Genome biology and evolution, 7(3), 642-645.
5. Gould S.J., Vrba E.S. (1982) Paleobiology 8:4–15.
6. S.L. Clarke, J.E. Vandermeer, A.M. Wenger, B.T. Schaar, N. Ahituv and G. Bejerano. Human Developmental Enhancers Conserved between Deuterostomes and Protostomes. PLoS Genet. 8(8):e1002852, 2012.
7. Freeling M., Xu J., Woodhouse M., Lisch D.A Solution to the C-Value Paradox and the Function of Junk DNA: The Genome Balance Hypothesis,Molecular Plant,V. 8, Iss. 6,2015,P. 899-910.