Новости генетики
Случайно нашёл на "Озоне" книгу "Рождение сложности" А. Маркова. И с удовольствием прочитал. Книга представляет собой с одной стороны последовательное изложение эволюции жизни с точки зрения изменения генома и регуляторных механизмов клетки, а, с другой стороны, срез наиболее значительных открытий в генетике в последние годы.
Поскольку я ещё со школы интересовался генетикой, мне было весьма интересно узнать, что нового удалось узнать учёным за последние 10 лет.
Что я знал до прочтения книги
1. Из школьного курса биологии каждый может вспомнить, что наследственная информация записана в ДНК. При делении клетки ДНК удваивается, таким образом информация передаётся по наследству. Информация, записанная в ДНК, посредством различных молекул РНК передаётся в рибосомы, где происходит синтез белка.
2. Гены (т.е. участки ДНК, кодирующие белок) могут быть активными или неактивными в зависимости от различных веществ, поступающих в клетку. Таким образом, существует система регуляции синтеза белка во времени в зависимости от стадии жизни организма, его потребностей и внешней среды.
3. На концах ДНК расположены теломеры - некодирующие участки, которые при каждом удвоении немножко обрезаются. В клетке есть механизм восстановления теломер, однако со временем ДНК всё равно теряет теломеры и при последующих копированиях теряет уже значимую информацию, что приводит к смерти клетки и, в более широком масштабе, к старению и смерти организма в целом.
Ниже я напишу о наиболее интересных, на мой взгляд, открытиях, почерпнутых мной из книги "Рождение сложности".
Оказывается, существовал РНК-мир
Многие, возможно, слышали о гипотезах самозарождения жизни на Земле. В моей голове представление об этом процессе сложилось примерно такое:
- случайным образом при подходящих условиях склеились нуклеотиды
- нуклеотиды со временем стали копироваться в жировых каплях - коацерватах.
В принципе, кардинально новые данный мой взгляд на мир не изменили, однако значительно его уточнили.
Во-первых, я выяснил из книги, что движущей силой зарождения жизни была отнюдь не случайность, а конкуренция химических веществ за ограниченные ресурсы.
Во время этой конкуренции появилась молекула РНК. Причём она обладала не только свойством хранения информации (т.е. могла размножаться), но ещё и могла катализировать химические реакции (т.е. выполнять роль белка-фермента) т.к. могла сворачиваться в 3D-структуру.
Далее простейшая молекула РНК усложнялась, появились различные специализированные молекулы того же класса, например, рибозимы - молекулы РНК, способные присоединять аминокислоты одну к другой и, таким образом, синтезировать белок исходя из информации, переданной другой молекулой РНК.
И, наконец, в какой-то момент "суп" из разных молекул РНК оказался внутри жировых капель - коацерватов, что можно считать появлением первой живой клетки. Это произошло ориентировочно 3,8 млрд. лет назад.
И только впоследствии возникла двойная молекула ДНК, рибосомы и прочие современные атрибуты жизни.
Наследственная информация передаётся не только с помощью ДНК
Оказывается, несмотря на ведущую роль ДНК, часть наследственной информации передаётся следующему поколению с помощью других механизмов. Всё дело в том, что участвует в процессе оплодотворения. Скажем, для человека это сперматозоид и яйцеклетка. Так вот, сперматозоид в яйцеклетку отдаёт только свои хромосомы (т.е. молекулы ДНК). А в яйцеклетке помимо хромосом присутсвуют все остальные части клетки. А заполняет её цитоплазма, в которой плавают различные химические вещества, в том числе и разные РНК. Ведь когда клетка делится, все эти вещества никуда не удаляются. Так вот, первые несколько делений яйцеклетки гены, записанные в хромосомах, вообще не экспрессируются. Т.е. синтез белка и регулирующие процессы происходят за счёт РНК и ферментов, переданных ребёнку его матерью в цитоплазме.
Один ген может кодировать большое количество белков
Раньше считалось, что один ген кодирует только один возможный белок. И, действительно, механизмы сбора белка из аминокислот в белок в рибосоме другого не предполагают.
Однако выяснилось, что некоторые гены могут кодировать до нескольких тысяч белков. Делается это так. ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов, но не все они являются кодирующими. Т.е. часть (причём бОльшая) из них является мусорной. Когда с ДНК снимается копия в виде матричной РНК весь этот мусор попадает и в РНК. Дальше задействуется механизм сплайсинга, когда мусор вырезается из РНК. Так вот, некоторые гены устроены таким образом, что в месте с мусором могут удаляться и части кодирующих участков. Но при этом часть кодирующих участков остаётся. Таким образом и получается, что в рибосому приходят разные РНК, ходят кодирует их один и тот же ген.
Этот механизм используется в иммунной системе всех живых существ, кроме позвоночных. Разные варианты получающегося белка представляют собой разные варианты антител. Часть из них получаются удачными и прикрепляются к оболочке вирусов, бактерий и чужеродных молекул, тем самым инактивируя их.
Стал известен механизм функционирования человеческого иммунитета
Это для меня стало совершеннейшей новостью ). Известно, что специфический иммунитет человека (и других позвоночных) представляет собой набор антител, которые вырабатываются в ответ на поступление в организм вирусов, бактерий и прочих нежелательных элементов. На этом основана вакцинация. Но не было известно, как именно вырабатываются эти антитела - как клетка знает, какой белок нужно произвести, чтобы он мог прикрепиться к клетке чужеродного элемента и тем самым обезвредить его.
Оказалось, что этот процесс обязан мутациям ДНК в лимфоцитах, причём происходящем в реальном времени и очень быстро (ведь надо успеть выработать достаточно количество антител, пока организм не умер от заразы).
Каждый лимфоцит от рождения имеет одинаковую ДНК. В этой ДНК есть заготовка гена, ответственного за синтез антител. В процессе созревания лимфоцита специальные белки режут эту заготовку на части (случайным образом) и собирают ген из таких обрезков. Каждый раз в разной последовательности. Суммарное количество комбинаций гена антител у человека - 3 миллиона.
Когда в организм попадает инфекция, в нём уже есть антитела, некоторые из которых обладают лучшим сродством с оболочкой инфекционных агентов, чем остальные. Лимфоциты, производящие подобные антитела начинают намеренно вносить мутации в определённые участки гена, кодирующего антитела, чтобы в итоге получить ещё большее сродство. Все неподходящие мутации отбраковываются. В результате, в течение нескольких часов - суток в организме появляются антитела, которые точно подходят к возбудителям и успешно подавляют их.
Высокая скорость эволюции развитых организмов объяснена с помощью генетики
Если посмотреть на шкалу возникновения и развития жизни на Земле, то можно прийти к очень интересному выводу.
Жизнь зародилась примерно 3,8 млрд. лет назад в виде архей и бактерий.
2 млрд. лет назад появились эукариоты - клетки с клеточным ядром, митохондриями, эндоплазматической сетью и другими нововведениями (все живые существа кроме вирусов, бактерий и архей - эукариоты).
1 млрд. лет назад появились первые многоклеточные
500 млн. лет назад - первые рыбы
475 млн. лет назад - первые растения появились на суше
200 млн. лет назад - первые млекопитающие
2,5 млн. лет назад - появился человек
Как видно из этой хронологии, примерно 74% всей эволюции жизнь была представлена только одноклеточными существами. Только на 95 проценте эволюции появились первые млекопитающие. И только на 99,934% - человек. То есть жизни понадобилось гораздо больше времени, чтобы склеить несколько клеток, чем чтобы из нескольких склеенных клеток создать человека разумного! Но как же это возможно, если правила естественного отбора одинаковы для всех организмов, к тому же одноклеточные размножаются гораздо быстрее и в единицу времени у них будет больше поколений, чем у высших существ?
Оказывается, всё дело в том, какие именно участки ДНК подвергаются мутациям (за счёт них происходят изменения и становится возможным естественный отбор).
На стадии одноклеточных существ успешные мутации возникали на всей протяжённости ДНК. В результате была созданы химические реакторы - клетки, во многом схожие и для простейших и для высших животных.
Чем дальше шла эволюция, тем меньше стало получаться успешных мутаций в участках ДНК, кодирующих непосредственно белки и строение клеток. Естественный отбор за 2 миллиарда лет уже отобрал самые лучшие варианты.
Успешными стали возможны мутации, которые приводили не к изменениям элементной базы клетки, а к изменению регулирующих механизмов. Когда начать синтез белка на основе имеющегося гена, когда его закончить, что на это будет влиять извне клетки и внутри неё. Оказывается, что строение организма зависит не только от имеющихся генов, но и от хронологии и продолжительности их экспрессии во время развития организма.
Благодаря мутациям в регулирующих зонах генома стала возможна дифференциация клеток, и эволюция пошла значительно быстрее.
Самый наглядный пример, иллюстрирующий это - это стадии роста эмбриона человека, когда он в своём развитии проходит все стадии от рыбы до собственно человека. А отвечают за все эти стадии всего лишь несколько т.н. HOX-генов, в определённое время включающие и выключающие все остальные гены.
Таким образом стало возможным значительное ускорение эволюции, приведшее к появлению первого разумного существа.
Что дальше?
Интересный вопрос, которые в книге не ставится, но, тем не менее, логичным образом должен возникнуть у каждого читателя. Как пойдёт эволюция дальше, если человек уже столько знает о её механизмах и имеет инструменты изменения генома? Будет ли эволюции жизни на Земле придан ещё один ускоряющий толчок? И является ли объективным законом природы то, что эволюция жизни на определённой стадии начинает осуществляться не с помощью естественного отбора, а с помощью сознательных изменений?
Думаю, что в ближайшие десятилетия мы станем свидетелями первых живых существ, геном которых полностью запрограммирован человеком. Человечество сможет это сделать. Другой вопрос, а сможет ли оно удержать эволюцию под контролем, предусмотреть отдалённые последствия, чтобы через какое-то время сгенерированные организмы не привели к исчезновению жизни на Земле. Права на ошибку у нас нет.
#генетика, #днк, #жизнь, #наука
