Мобильные элементы ДНК: тайное становится явным

Звание первооткрывателя мобильных генетических элементов по праву принадлежит нобелевскому лауреату американскому ученому-генетику Барбаре Мак-Клинток, которая в середине прошлого века обнаружила их активность в геноме кукурузы. И до нее некоторые исследователи обращали свое внимание на загадочные перестройки в геноме и мутации, которые нельзя было объяснить имевшимися тогда знаниями. Поначалу изучение подвижных элементов находилось в тени других научных направлений из-за укоренившейся догмы о постоянстве генома и не воспринималось серьезно большинством ученых. Те исследователи, которые набирались смелости заявить научному сообществу о нестабильности наследственного материала, всерьез рисковали своей репутацией.

По всей видимости, первым, кто выдвинул предположение о наличии подвижных генов и связанных с ними перестройках генома, был голландский генетик Гуго де Фриз. Специализируясь на изучении растений, он в начале прошлого века обратил внимание на мозаичность в окраске цветка львиный зев (Antirrhinum majus). Гуго де Фриз напрямую связал это явление с наличием неизвестных неустойчивых факторов в геноме растений. Спустя почти сто лет предположение де Фриза нашло свое практическое подтверждение: в геноме львиного зева был обнаружен мобильный элемент (названный Тат, transposable element Antirrhinum majus), отвечающий за характерную для этого растения мозаичность окраски.

После работ де Фриза еще несколько исследователей сталкивались со странными передвижениями «незыблемого» генома. Но исходя из имевшихся тогда знаний не могли понять сущность этого явления. Прорыв в изучении мобильных элементов наступил в конце 40-х годов прошлого века, когда за дело взялась энергичная исследовательница генома кукурузы Барбара Мак-Клинток. Изучая разрывы и воссоединения цепи ДНК одной из хромосом кукурузы, она обнаружила загадочный элемент, который перемещался по геному и вызывал мутации. Ее коллеги встретили новость о нестабильном геноме с большим недоверием и критичностью. Мак-Клинток даже обвиняли, что она ищет дешевой популярности, выдвигая фантастические и непроверенные идеи. Вероятно, ей пришлось выслушать немало обидных и едких замечаний.

Удивительно, но только лишь на основе своих теоретических предположений и доступных тогда технических средств Мак-Клинток сумела практически без ошибок описать все основные свойства мобильных генетических элементов, известные сегодня. И поэтому вполне закономерно, что Нобелевский комитет спустя тридцать лет отметил эту выдающуюся исследовательницу премией в области медицины и физиологии. Заслуженная награда нашла своего героя.

После теоретического предсказания Мак-Клинток пришло время обнаружения подвижных генов на молекулярном уровне. В конце 60-х годов, в ходе изучения механизмов мутаций у бактерий, немецкими и американскими учеными (Д. Шапиро, Х. Сэлдером и Р. Штарлингером) были открыты простейшие мобильные элементы у одноклеточных. Шаг за шагом ученые во всем мире приближались к переломному моменту в изучении мобильных элементов — обнаружению их в геномах сложных организмов. Наиболее в этом направлении продвинулись ученые из США и Советского Союза, изучавшие ДНК плодовой мушки дрозофилы и добившиеся примерно одинаковых результатов. И лишь счастливый случай определил, кто будет первооткрывателем.

Первыми, кому удалось открыть мобильные элементы у дрозофилы, были российские ученые из Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта и Института атомной энергии им. И.В. Курчатова — руководители лабораторий Г.П. Георгиев и В.А. Гвоздев и трое их молодых сотрудников Ю. Ильин, Н. Чуриков и Е. Ананьев. Это открытие было сделано ими в 1976 году.

Как вспоминал позднее один из участников тех исследований, Н.А. Чуриков, российским генетикам приходилось проводить работы по клонированию ДНК буквально «на ощупь», многое делая впервые. Руководитель лаборатории, академик Георгиев, был знаком со многими известными западными учеными. И они по его просьбе, несмотря на холодную войну между США и СССР, любезно снабжали своих российских коллег всеми необходимыми для исследований материалами. Дружный коллектив генетиков двух институтов и целенаправленная работа в конце концов дали свои результаты — мобильные элементы у дрозофилы были обнаружены.

Параллельно с российскими работами американцы, Дэвид Хогнесс и его коллеги, тоже занимались клонированием фрагментов ДНК у дрозофилы. Спустя некоторое время они также сумели обнаружить подвижные гены в геноме плодовой мушки, хотя вначале сомневались в их существовании.

Вот как об этом рассказал академик В.А. Гвоздев: «Я был тогда невыездным, а мой коллега Г.П. Георгиев, в это время уже всемирно известный ученый, периодически ездил за границу и по возвращении рассказывал большому собранию наших ученых о зарубежных научных успехах. Г.П. Георгиев рассказал, что он демонстрировал различное расположение мобильных генов в гомологичных хромосомах особи, но Хогнесс посчитал тогда это артефактом. А потом он сам получил такие же результаты. Но в чем—то, что касалось молекулярной характеристики мобильных элементов, американцы были впереди нас. Выделение мобильных элементов из дрозофилы сделали Юрий Ильин и Николай Чуриков из лаборатории Георгиева. Снимки же с расположением мобильных элементов по длине хромосом были получены впервые в мире Евгением Ананьевым в нашей лаборатории».

В 1977 году в Трудах Национальной академии наук США вышла совместная работа известного российского генетика М.Д. Голубовского и его американских коллег, в которой они теоретически обосновывали природу генетической нестабильности у дрозофилы. В их работе указывалось, что нестабильные генные варианты возникали во время загадочных вспышек мутаций, происходивших практически синхронно в географически удаленных природных популяциях. Нестабильные гены из природы меняли свое состояние с частотой в сотни и тысячи раз выше обычного темпа мутирования. Нестабильность оказалась связана со вставками разных мобильных элементов в районы расположения нестабильных генов. Таким образом, была доказана важная роль мобильных элементов в возникновении природного генетического разнообразия. Впервые был даже найден поразительный случай природной генетической инженерии, когда два изначально удаленных на хромосоме гена были с помощью мобильного элемента перенесены один к другому и стали совместно проявляться и мутировать.

Открытие подвижных генов у дрозофилы фактически послужило отправной точкой в последующем исследовании мобильных элементов, изучение которых после этого получило мощнейший импульс и приобрело очень широкие масштабы. По мнению многих ученых, российские генетики за открытие подвижных генов дрозофилы вполне могли претендовать на самую высокую научную премию — Нобелевскую.

Вскоре после этого российские ученые сделали еще одно важное открытие. В 1979 году академиком Георгиевым и его сотрудниками Д.А. Крамеровым и А.П. Рысковым был открыт новый, неизвестный ранее тип мобильных элементов, названный SINE (Short Interspersed Elements). Вот как вспоминает о тех исследованиях руководитель лаборатории эволюции геномов эукариот (Институт молекулярной биологии РАН) Д.А. Крамеров: «Мы обнаружили, что по геному мыши „разбросаны“ сотни тысяч копий элементов SINE двух видов, названных нами В1 и В2. В сотрудничестве с лабораторией академика А.А. Баева мы сумели определить, из каких нуклеотидов состоят В1 и В2, чего до нас с мобильными элементами еще никто в мире не делал. В то же время сотрудники лаборатории Карла Шмида (США) описали SINE человека, который они назвали Alu. Более миллиона копий этого элемента рассеяно по всему нашему геному. Помимо обилия копий в геноме SINE отличаются от других мобильных элементов малой длиной, иным эволюционным происхождением и неспособностью самостоятельно передвигаться. Позднее стало ясно, что SINE играют большую роль в эволюции генов и всего генома в целом» .

С начала 80-х годов вместе с развитием технических возможностей начинается этап активного изучения подвижных генетических элементов. Открытия следуют одно за другим. Выясняется тесная взаимосвязь подвижной ДНК со старением и многими патологиями. Исследования мобильных элементов, кроме чисто научного интереса, приобретают также и практическую направленность, связанную в первую очередь с медициной. Так, обнаруживается, что бактерии активно используют для сопротивления антибиотикам мобильные элементы генома, при помощи которых формируют свою устойчивость к лекарствам. Один из видов подвижных генов, ретроэлементы, оказывается тесно связанным с вирусами, в том числе и с ВИЧ.

Сегодня некоторые исследователи связывают с транспозонами механизм горизонтального переноса генов, т.е. обмена генетическим материалом между организмами разных видов. Обычно мы можем с вами наблюдать лишь вертикальный перенос генов внутри вида: от родителей к детям. Но в последние годы стали накапливаться данные и о других возможных генетических взаимодействиях. Так, обнаружено, что у близких видов могут доминировать в геноме разные типы транспозонов, что сложно объяснить лишь вертикальным переносом генов. Одним из главных подтверждений гипотезы горизонтального переноса генов послужила чрезвычайная распространенность и характерное распределение в геномах уже упоминавшегося выше транспозона mariner.

Еще в 1991 году американские генетики К. Маруяма и Д. Хартл обнаружили, что последовательности элемента мariner у двух разных видов плодовых мушек, Zaprionus tuberculatus и Drosophila mauritiana, на 97% идентичны друг другу. В то же время у родственного D. mauritiana вида, Drosophila tsacasi, последовательность мariner показала идентичность всего 92%. Транспозоны из близких видов оказались менее похожи друг на друга, чем из более далеких. Позже обнаружилось присутствие в одном геноме разных подсемейств мariner и высокая степень идентичности мariner-подобных элементов в геномах разных организмов, филогенетически весьма далеких друг от друга. Естественным объяснением этих наблюдений является горизонтальный перенос.

В конце 90-х годов российский генетик Владимир Капитонов и его коллеги разработали биоинформатический метод поиска транспозонов. Благодаря этому методу в 1999 году были открыты два неизвестных ранее семейства транспозонов: Arnold и Harbinger. Второй элемент получил символическое название (нarbinger в переводе с англ. — «предвестник»), которое оказалось пророческим.

В.В. Капитонов (Genetic Information Research Institute, США): «Мне посчастливилось обнаружить таким образом самое первое новое семейство транспозонов, которые я назвал Harbinger. Чуть позже я обнаружил другое новое семейство мобильных элементов, Transib, названное мной так в честь Транссибирской магистрали. Впоследствии оказалось, что это семейство имеет чрезвычайно примечательную особенность. Мы открыли, что примерно 500 млн лет тому назад один из транспозонов, тransib, превратился из „молекулярного паразита“ в ключевой элемент иммунной системы, белок RAG, который сегодня присутствует почти у всех позвоночных, включая рыб, лягушек, млекопитающих и человека».

Благодаря подобным работам ученые смогли «заглянуть» на миллионы лет назад в прошлое, восстанавливая этапы развития жизни на Земле. Так, на основе анализа ДНК удалось установить, что эволюционные линии человека и нашего ближайшего «родственника», шимпанзе, разошлись примерно 6 млн лет назад.

Следом за Transib—ом В.В. Капитоновым и его коллегами были открыты гигантские элементы полинтон и уникальные транспозоны хелитрон, перемещающиеся по геному по принципу катящегося кольца. В.В. Капитонов: «К сожалению, до сих пор еще никому не удалось выделить экспериментально активный хелитрон, способный перемещаться. Решением последней проблемы может оказаться так называемое воскрешение транспозона: когда теоретически, путем „усреднения“ последовательностей ДНК многих копий транспозона, который был активен миллионы лет тому назад, можно очень аккуратно восстановить ДНК— последовательность этого древнего активного транспозона. Эта задача похожа качественно на то, что делают палеонтологи, когда восстанавливают скелет неизвестного доселе динозавра из остатков костей, поврежденных внешней средой за многие миллионы лет».

В 2001 году в Институте молекулярной генетики РАН было сделано еще одно открытие, связанное с подвижными элементами. Российскими учеными академиком В.А. Гвоздевым, А.А. Аравиным и их коллегами был обнаружен неизвестный ранее механизм, при помощи которого живые организмы подавляют излишнюю активность мобильных элементов.

Он получил название РНК-сайленсинг. В основе этого механизма — специальные РНК, piwiRNA, которые блокируют активность генов подвижных элементов.

А.А. Аравин (California Institute of Technology, США): «Мобильные элементы, транспозоны, стараются увеличить свое число в ДНК и в процессе этого могут повреждать хорошие гены. Естественно, клетка старается предотвратить такую экспансию транспозонов. Одной из таких защитных систем являются короткие РНК, которые умеют узнавать и подавлять активность мобильных элементов. Роль коротких piРНК можно сравнить с иммунной системой и антителами, которые распознают чужеродные белки в болезнетворных бактериях. Только вместо бактерий, которые заражают организм, короткие РНК отличают мобильные элементы, внедрившиеся в наш геном от хороших клеточных генов — поистине непростая задача. Как piРНК это удается — до сих пор основной предмет изучения в нашей лаборатории».

В начале 90-х годов в Институте биоорганической химии РАН началось активное изучение еще одного класса подвижных элементов — эндогенных (т.е. находящихся постоянно внутри клеток человека) ретровирусов. Академиком Е.Д. Свердловым и его коллегами была выдвинута гипотеза о роли эндогенных ретровирусов в эволюции приматов. Как предполагают российские генетики, развитие человека и обезьян сопровождалось большими вирусными эпидемиями, из-за которых вымирала большая часть популяции. Оставшиеся в живых приматы приобретали устойчивость к вирусам и использовали внедрившиеся в геном эндогенные ретровирусы как новые гены и регуляторные элементы. И как считают ученые, во многом благодаря этому и произошли те изменения, превратившие в итоге древнюю человекоподобную обезьяну в человека.

В подтверждение своей гипотезы академик Свердлов и его коллеги проводят исследования ретровирусов, характерных лишь для генома людей. И уже ими обнаружены несколько ретровирусов, которые подверглись «одомашниванию» в человеческой ДНК и выполняют полезные функции. Так, в 2013 году большой группой российских генетиков из нескольких лабораторий, А.А. Буздиным и его коллегами, был найден человеческий ретровирус HERV, находившийся вблизи одного из генов и усиливавший его активность. Когда исследовали геном шимпанзе, никакого ретровируса вблизи аналогичного гена обнаружено не было.

А.А. Буздин (Институт биоорганической химии РАН): «Это интересный, но, похоже, не единственный пример того, как эндогенные ретровирусы повлияли на эволюцию человека. Так, несколько лет назад мы в своей лаборатории обнаружили, что антисмысловые РНК, образующиеся при помощи двух специфичных для человеческого генома копий hsERV, регулируют еще два человеческих гена. И эти гены также связаны с развитием нервной системы. А вот наши результаты этого года впечатляют еще сильнее: всего в нашей ДНК мы нашли более 110 000 созданных эндогенными ретровирусами участков, связывающих белковые транскрипционные факторы, то есть регулирующих активность соседних генов. Становится всё более очевидно, что эндогенные ретровирусы, как и другие мобильные элементы человеческого генома, необходимы для его нормального функционирования».

Очевидно, что это только начало активного изучения мобильных генетических элементов. И в ближайшие годы стоит ожидать новых связанных с ними удивительных открытий. Мобильные элементы генома, миллионы лет существовавшие вместе с живыми организмами, постепенно открывают свои тайны перед напором науки.