«Бугатти вейрон» — самый дорогой автомобиль для езды по обычным дорогам. Стоит он всего-навсего 1 миллион 700 тысяч долларов. Трудно определить, какая машина самая дешевая. Возможно, на эту честь может претендовать «дачия сандеро»: ее цена — примерно процент от цены «вейрона». Однако у обоих транспортных средств есть много общего. В частности, оба необходимо завести, прежде чем куда-нибудь на них поехать. Если вы не запустите двигатель, у вас ничего не выйдет.
С нашими генами, кодирующими белки, такая же история. Пока их не активируют и не скопируют на информационную РНК, они не будут ничего делать, оставаясь просто инертными фрагментами ДНК, точно так же, как роскошный «вейрон» остается лишь грудой металла и аксессуаров, пока вы не повернете ключ зажигания. Включение гена зависит от участка мусорной ДНК, называемого промотором. Промотор располагается в начале каждого гена, кодирующего белок.
Если представить себе автомобиль традиционного типа, то промотор — это скважина для ключа зажигания. Сам ключ — это комплекс белков, которые соединяются с промотором. Эти белки называются транскрипционными факторами. Они, в свою очередь, связываются с ферментом, который создает информационные РНК, содержащие копии гена. Такая последовательность событий как раз и вызывает экспрессию гена (и управляет ею).
Сравнительно просто выявить промоторы, анализируя ДНК-последовательности. Промоторы всегда встречаются непосредственно перед областями, кодирующими белки. Кроме того, обычно они содержат характерные ДНК-мотивы. Дело в том, что транскрипционные факторы — особый тип белков, способных распознавать определенные ДНК-последовательности и связываться с ними. При анализе эпигенетических модификаций промоторов мы можем выявить некую устойчивую картину. У промоторов имеются определенные наборы эпигенетических модификаций, в зависимости от того, активен ли ген в клетке. Эти эпигенетические модификации — немаловажные регуляторы процессов связывания транскрипционных факторов. Некоторые модификации привлекают транскрипционные факторы и соответствующие ферменты, что приводит к экспрессии гена. Другие же препятствуют связыванию транскрипционных факторов, что очень затрудняет включение гена.
Ученые могут скопировать промотор и встроить его в какой-то другой участок генома или даже в геном другого организма. Такие эксперименты подтвердили, что промоторы обычно действуют, располагаясь непосредственно перед геном. Удалось показать также, что промотор должен «указывать» в нужном направлении. Если вы вставите промотирующую последовательность перед геном, но «задом наперед», она не будет работать. Это как если бы вы вверх ногами вставили ключ в замок зажигания. Действие промоторов зависит от их ориентации.
Промоторы толком не различают гены, которые они контролируют. Они просто включают ближайший ген, если находятся от него на достаточно небольшом расстоянии и «указывают» в нужном направлении. Это позволяет ученым использовать промоторы для управления экспрессией каждого интересующего их гена. Очень удобно для экспериментаторов. Но есть у этих процессов и обратная сторона. При некоторых формах рака основная проблема (на молекулярном уровне) сводится к тому, что ДНК наших хромосом «запутывается», и промотор запускает экспрессию не того гена. Для онкологических заболеваний речь идет о гене, который увеличивает скорость размножения клеток. Впервые такое явление обнаружили, исследуя разновидность рака крови, именуемую лимфомой Бёркитта (вероятно, она по-прежнему остается самым известным примером данного процесса). При этом недуге сильный промотор, находящийся на хромосоме 14, начинает располагаться «выше» гена хромосомы 8, кодирующего белок, способный существенно ускорять размножение клеток,1. Последствия могут быть катастрофическими. Белые кровяные тельца (лейкоциты), несущие в себе такую перестановку, растут и делятся очень быстро, в результате чего их доля в крови неуклонно увеличивается. При ранней диагностике заболевания можно вылечить свыше половины пациентов, хотя для этого требуется интенсивная химиотерапия2. У тех, кому поставили диагноз слишком поздно, угасание идет ужасающе быстро, приводя к летальному исходу за какие-то недели.
В здоровых тканях различные промоторы могут проявлять активность лишь в определенных типах клеток — обычно благодаря тому, что они полагаются на транскрипционные факторы, экспрессируемые лишь некоторыми, определенными типами клеток. Кроме того, промоторы обладают различной силой. Что имеется в виду? Сильные промоторы включают гены весьма агрессивным образом, в результате порождая множество копий информационной РНК, формируемой на основе гена, кодирующего белок. Именно это происходит при лимфоме Бёркитта. Слабые промоторы меньше влияют на уровень генетической экспрессии. Сила промотора в клетках млекопитающих зависит от множества параметров и особенностей этих клеток, в том числе от ДНК-последовательности, но также от наличия и доступности транскрипционных факторов, от эпигенетических модификаций и, вероятно, от целого ряда других переменных, которые мы пока не знаем.
Управляя плавно меняющимся откликом
Каждый конкретный промотор в каждом конкретном типе клеток вызывает относительно постоянный уровень генетической экспрессии — по крайней мере, в экспериментальных системах. Однако при обычных обстоятельствах экспрессия генов — явление не пороговое. Гены могут экспрессироваться в разной степени. Сравним это с возможностью придавать машине любую скорость от одной мили в час до максимальной (больше 250 миль в час для «вейрона», меньше половины этой величины для «сандеро»). В клетках такая гибкость достигается благодаря целому ряду взаимодействующих процессов, в том числе и эпигенетических. Однако на нее влияет и еще одна область мусорной ДНК — так называемый энхансер.
По сравнению с промоторами энхансеры — штука очень туманная. Обычно они представляют собой последовательности длиной в несколько сотен пар нуклеотидных оснований, однако такие области почти невозможно идентифицировать лишь при помощи анализа ДНК-последовательности3. Они просто слишком разнообразны. Выявление энхансеров затруднено еще и тем, что они не обязательно функционируют постоянно. Так, удалось выявить набор латентных энхансеров, который начинает регуляцию генетической экспрессии, лишь когда сами эти энхансеры каким-то образом активируются неким стимулом. А значит, вполне возможно, что в геномной последовательности не существует каких-то изначально заданных областей-энхансеров со строго определенной ролью.
Воспалительная реакция — первый рубеж обороны организма при защите, к примеру, от бактериальных инфекций. Клетки, расположенные близ места вторжения захватчиков, выделяют химические вещества и сигнальные молекулы, которые создают для чужаков весьма враждебную среду. Это как если бы срабатывание домашней сигнализации вызывало целый ливень горячей и вонючей жидкости, обрушивающийся на комнату, куда проник незадачливый взломщик.
Ученые, исследующие воспалительный отклик организма, одними из первых сумели показать, что ДНК-последовательности могут при необходимости становиться энхансерами. Выяснилось, что как только воспалительный стимул исчезает, энхансеры не возвращаются в инертное состояние. Они остаются энхансерами, готовыми снова повысить уровень экспрессии соответствующих генов, если клетки вновь встретятся с этим воспалительным стимулом4. По-видимому, не случайно эти энхансеры регулируют деятельность генов, вовлеченных в отклик организма на вторжение чужаков. Такая память, проявляемая в виде экспрессии генов, может позволять организму как можно эффективнее и быстрее побеждать инфекцию. Это большое преимущество.
Эпигенетика и энхансеры: интенсивное общение
Итак, гены могут сохранять память даже после исчезновения стимула. Каким образом? В частности, благодаря эпигенетике. Эпигенетические модификации способны облегчить последующую активацию генов, поддерживая их в сравнительно «неподавленном» состоянии. Это как с врачом, который не уехал в отпуск, а дежурит и ждет вызова. В вышеописанном исследовании ученые показали, что определенные гистонные модификации оставались на «новых» энхансерах и после исчезновения воспалительного стимула, тем самым поддерживая эти энхансеры в состоянии боевой готовности.
Вообще говоря, мы начинаем чуть больше продвигаться в идентификации энхансеров по эпигенетическим модификациям, которые не зависят от соответствующих ДНК-последова-тельностей. Эти модификации могут использоваться как функциональные маркеры, показывающие, как клетки определенного типа используют данный фрагмент ДНК. Удалось показать также, что эти модификации порой меняются при онкологических заболеваниях, создавая различные картины генетической экспрессии, а те могут вносить свой вклад в клеточные трансформации, которые, в свою очередь, как раз и приводят к раковым процессам5.
Но даже если нам все-таки удается найти эпигенетический «автограф», который указывает, что мы, возможно, имеем дело с энхансером, нам все равно мешает еще одна проблема. Мы не знаем, на какой ген, кодирующий белок, он влияет. Это можно попытаться выяснить лишь одним способом — разрушая энхансер при помощи генетических манипуляций и затем оценивая, на какие гены воздействует такая перемена. Дело в том, что энхансеры функционируют не так, как промоторы. Энхансеры работают независимо от своей ориентации. Иными словами, неважно, в какую сторону они «указывают». Есть и еще более резкое различие: энхансеры могут располагаться очень далеко от того кодирующего белок гена, на экспрессию которого они влияют.
Кроме того, энхансеров гораздо больше, чем мы могли бы ожидать. В ходе недавнего широкомасштабного исследования изучались картины гистонной модификации примерно в 150 человеческих клетках. При поиске рисунков модификаций, похожих на энхансерные, оказалось возможным выявить около 400 тысяч кандидатов на роль областей-энхансеров6. Это гораздо больше, чем требовалось бы в случае существования взаимно однозначного соответствия между энхансерами и генами, кодирующими белки. И даже если мы предположим, что длинные некодирующие РНК тоже обладают энхансерами, это число все равно окажется слишком большим.
Не все энхансеры обнаружились в каждом типе клеток. Это вполне согласуется с моделью, в которой один и тот же фрагмент ДНК может обладать разными функциями в разных типах клеток, в зависимости от своих эпигенетических модификаций.
Сегодня нет четких моделей функицонирования энхансеров. Ученые предполагают, что во многих случаях они очень сильно зависят от генетического мусора иного типа — от длинных некодирующих РНК. Собственно, некоторые классы длинных некодирующих РНК могут экспрессироваться на самих энхансерах7. Многие длинные некодирующие РНК участвуют в процессах подавления экспрессии генов. Но теперь немало ученых считают, что существует и обширный класс длинных некодирующих РНК, усиливающих экспрессию генов. Впервые такую гипотезу высказали применительно к длинным некодирующим РНК, которые регулируют соседствующие с ними гены. В ходе ряда экспериментов искусственное усиление экспрессии длинной некодирующей РНК приводило к усилению экспрессии ближайшего к ней гена, кодирующего белок. И наоборот, искусственное подавление экспрессии длинной некодирующей РНК приводило к снижению экспрессии гена, кодирующего белок8.
Дальнейшие подтверждения этой гипотезы удалось получить, анализируя временной характер включения/выключения длинных некодирующих РНК и информационных РНК, которые ими регулируются (как считали ученые). Исследователи подвергали клетки воздействию стимула, который, как они уже знали, вызывает экспрессию определенного гена. Как выяснилось, усиливающая («энхансерная») длинная некодирующая РНК включалась раньше, чем информационная РНК близлежащего гена, кодирующего белок9,10. Это отвечает модели, согласно которой длинная некодирующая РНК, расположенная в области-энхансере, включается в ответ на стимул, а затем, в свою очередь, помогает усилить экспрессию гена, кодирующего белок (или включить этот ген).
Длинная некодирующая РНК способствует такому усилению не сама по себе. Для успешного осуществления процесса необходимо присутствие большого комплекса белков. Такой комплекс называется медиатором. Длинная некодирующая РНК связывается с медиатором, направляя его деятельность на близлежащий ген. Один из белков медиатора способен пристраивать эпигенетические модификации к соседствующему с ним гену, кодирующему белок. Это помогает рекрутировать фермент, создающий копии информационной РНК. Затем эти копии используются как матрицы для производства белка.
Существует неизменная взаимосвязь между медиатором и длинной некодирующей РНК. Искусственно вызванные понижения уровня экспрессии длинной некодирующей РНК или какого-то белка, входящего в состав медиатора, всякий раз приводили к понижению уровня экспрессии ближайшего гена11.
Важность физического взаимодействия между длинными некодирующими РНК и медиатором показали на примере одного из генетических заболеваний человека. Речь идет о синдроме Опица-Каведжиа. Дети, родившиеся с этим недугом, испытывают трудности при обучении, у них пониженный мышечный тонус и непропорционально большая голова12. Они наследуют мутацию одного-единственного гена. Этот ген кодирует белок медиатора, взаимодействующего с молекулами длинной некодирующей РНК.
Чем больше ученые анализировали деятельность медиатора, тем интереснее им становились эти исследования. Одной из причин такого интереса явилось то, что медиатор отвечает за действия группы энхансеров, обладающих необычными способностями. Это так называемые суперэнхансеры. Они играют особенно важную роль в эмбриональных стволовых клетках (ЭС-клетках), плюрипотентных клетках человеческого организма, которые способны стать клетками практически любого типа13.
Суперэнхансеры — кластеры энхансеров, действующих сообща. По размерам эти кластеры примерно вдесятеро больше обычных энхансеров, а потому могут связываться с огромным количеством белковых молекул. В этом они значительно превосходят обыкновенные энхансеры. Суперэнхансеры способны резко усиливать экспрессию регулируемых ими генов. Но дело не только в числе белков, с которыми они связываются. Ученых больше интересует, что это за белки.
Как мы уже видели (глава 8), ЭС-клетки не остаются плюрипотентными по каким-то случайным причинам или просто в силу своей пассивности. Чтобы ЭС-клетки сохраняли свой потенциал, они должны очень тщательно регулировать собственные гены. Даже сравнительно малые возмущения в генетической экспрессии могут толкнуть ЭС-клетку по пути, который превратит ее в клетку специализированную. Представьте себе известную игрушку — гибкую шагающую пружину «слинки». Установим ее на верхней ступеньке длинного лестничного пролета. Малейшего толчка в нужную сторону достаточно, чтобы «слинки» начала свое весьма долгое путешествие. Может быть, лучше представить себе «слинки», которую удерживает от спуска по ступенькам небольшой грузик, прикрепленный к ее верхнему концу. Уберите груз — и пружина зашагает вниз.
Существует целый набор белков, абсолютно необходимых для поддержания плюрипотентности ЭС-клеток. Эти белки называются главными регуляторами (master regulators). Их можно уподобить грузику на верхнем конце «слинки». Уровень экспрессии главных регуляторов в ЭС-клетках очень высок, однако в специализированных клетках он гораздо, гораздо ниже.
Важную роль этих белков недвусмысленно продемонстрировали в 2006 году. Японские ученые искусственно экспрессировали комбинацию из четырех таких главных регуляторов в клетках, уже прошедших дифференциацию, обеспечив при этом очень высокие уровни экспрессии. Как ни поразительно, это породило целую череду молекулярных событий, кульминацией которых стало создание клеток, по своему действию почти идентичных ЭС-клеткам14. Это как если бы «слинки» вдруг прошагала с нижней ступеньки обратно на верхнюю. Клетки, созданные таким способом, в организме могут превращаться в человеческие клетки практически любого типа. Замечательная работа. Изыскания, которые за ней последовали, вызвали большое воодушевление. Ведь теперь в принципе оказалось возможным выращивать клетки-заменители для лечения огромного числа заболеваний — от слепоты и диабета первого типа до болезни Паркинсона и сердечной недостаточности.
До развития этой новой технологии ученые испытывали огромные трудности при создании нужных клеток для лечения тех или иных болезней человека. Дело в том, что клетки, взятые у одного человека, обычно не удается спокойно имплантировать другому. Иммунная система распознает донорские клетки как чужеродные и уничтожает их, как если бы они являлись организмом-захватчиком. Однако, как показано на рис. 12.1, теперь мы в принципе имеем возможность производить клетки, идеально подходящие конкретному пациенту.
Рис. 12.1. Теория, в принципе позволяющая использовать клетки, выращенные на основе биоматериала пациента, для лечения этого конкретного пациента.Имплантируйте клетки в организм пациента.
На основе этой работы 2006 года возникла целая отрасль промышленности, потенциальный оборот которой составляет миллиарды долларов. Кроме того, исследователи получили одну из самых «быстрых» Нобелевских премий по физиологии и медицине: им присудили ее всего через 6 лет после первой публикации15.
В нормальных ЭС-клетках некоторые белки, являющиеся главными регуляторами, при соединении с суперэнхансерами дают очень высокую плотность белков в зоне связывания. Сами же суперэнхансеры регулируют некоторые ключевые гены, поддерживающие плюрипотентное состояние клеток. В тех же местах очень высока концентрация комплекса-медиатора. Подавление экспрессии одного из главных регуляторов или медиатора оказывает весьма схожее воздействие на экспрессию этих ключевых генов. Уровни экспрессии падают, и увеличивается вероятность того, что ЭС-клетки начнут дифференцироваться, превращаясь в клетки специализированные.
Поскольку плюрипотентное состояние ЭС-клеток во многом определяется высокими уровнями экспрессии главных регуляторов, неудивительно, что сами главные регуляторы контролируются суперэнхансерами. Это создает систему с положительной обратной связью (см. рис. 12.2).
Циклы с положительной обратной связью сравнительно редко встречаются в биологии — главным образом из-за того, что в том случае, если они начнут вести себя как-то не так, их трудно будет снова обуздать. По счастью, кодирующие белок гены, регулируемые суперэнхансерами, весьма чувствительны к малейшим изменениям связывания главных регуляторов и к целому ряду других факторов. А значит, не исключено, что даже небольшого изменения в балансе этих факторов может оказаться достаточно для прерывания этого цикла с положительной обратной связью, что позволит клеткам не оставаться плюрипотентными, а начать дифференциацию. В конце концов, обычно не требуется больших усилий, чтобы столкнуть пружину «слинки» с лестницы.
Сообщалось также о наличии суперэнхансеров в клетках злокачественных опухолей. Вероятно, там они взаимодействуют с генами, оказывающими ключевое воздействие на размножение клеток и развитие раковых процессов16. Один из генов, регулируемых таким суперэнхансером, порождает лимфому Бёркитта (мы уже упоминали этот ген в данной главе). В кое-каких нормальных специализированных клетках тоже имеются суперэнхансеры. Они связываются с белками, специфическими для клеток данного типа и определяющими особенности клетки.
Рис. 12.2. Цикл с положительной обратной связью, поддерживающий высокий уровень экспрессии генов, которые отвечают за выработку главных регуляторов.
Преодолевая расстояния
В большинстве событий, которые мы описывали в этой главе, участвуют энхансеры, которые находятся сравнительно близко от таргетируемых ими генов: обычно в пределах 50 тысяч нуклеотидных оснований. Довольно легко представить себе, как это происходит: длинная некодирующая РНК и комплекс-медиатор действуют как своего рода якорь для фермента, копирующего ДНК в информационную РНК. Однако во многих ситуациях энхансер и регулируемый им ген, кодирующий белок, на хромосоме отстоят друг от друга довольно далеко: их может разделять до нескольких миллионов пар нуклеотидных оснований. Такая же разница, как между попыткой передать солонку кому-то на противоположном конце стола и попыткой передать ее кому-то, кто располагается на другом конце футбольного поля. Нелегко представить себе, каким образом может осуществляться такого рода дистанционное взаимодействие между геном и энхансером. Размеров длинной некодирующей РНК и комплекса-медиатора не хватит, чтобы перекрыть такое огромное расстояние.
Чтобы разобраться в этом процессе, придется усложнить обычный образ генома. Как правило, весьма полезно и удобно описывать ДНК как веревочную лестницу или железнодорожные пути, ибо это помогает вообразить две ее нити и то, как они удерживаются вместе посредством пар нуклеотидных оснований. Однако проблема в том, что при этом мы думаем о ДНК как о чем-то линейном, к тому же достаточно жестком, поскольку подсознательно мы сравниваем ее с твердыми предметами из более привычной нам среды.
Но мы уже знаем, что ДНК — не жесткая молекула, ведь ее можно очень сильно сплющивать, сминать, комкать, чтобы она уместилась в ядре. Так что давайте углубим наши исследования. Если все-таки принять двунитевую природу ДНК как данность (чтобы не усложнять картину), можно представить себе фрагмент нашего генома как длинную макаронину — возможно, самый длинный в мире кусок лапши тальятелле. В двух местах она отмечена пищевым красителем: эти места изображают энхансер и ген, кодирующий белок. Глядя на рис. 12.3, мы видим два возможных сценария. Пока макароны не сварили, они сохраняют жесткость, и энхансер находится вдали от гена. Но после варки макароны становятся гибкими. Теперь они могут сгибаться во всевозможных направлениях, в результате чего окрашенные участки, изображающие энхансер и ген, могут сближаться.
Некоторые части наших хромосом в определенных клетках подавляются и выключаются почти навсегда — чтобы отключить гены, которые никогда не понадобится экспрессировать в тканях данного типа. Скажем, клеткам нашей кожи незачем экспрессировать белки, которые используются кровью для переноса кислорода. В клетках кожи соответствующие области генома совершенно недоступны: они плотно свернуты и напоминают чересчур сжатую пружину. Однако в этих же клетках есть громадные области, не находящиеся в таком сверхсжатом состоянии. Гены в них вполне доступны и могут включаться. ДНК в таких зонах напоминает самую длинную вареную макаронину в мире, целиком заполняющую кастрюлю. Макаронина сгибается и извивается в кипящей воде, образуя всевозможные петли и дуги.
Рис. 12.3. Упрощенная схема показывает, как складывание гибкой молекулы ДНК может сблизить два отдаленных ее участка — скажем, энхансер и ген, кодирующий белок.
В таких случаях ген, кодирующий белок, и расположенный вдали от него энхансер могут сильно сближаться друг с другом. Затем длинная некодирующая РНК и комплекс-медиатор удерживают две петли вместе, обеспечивая усиление экспрессии гена. В этом медиатору должен помогать еще один комплекс. Этот дополнительный комплекс требуется также для разделения хромосом, прошедших дупликацию в процессе деления клетки, так что он хорошо оснащен для работы с масштабными перемещениями ДНК. Мутации в некоторых генах, кодирующих белки этого дополнительного комплекса, вызывают две болезни развития — синдром Робертса и синдром Корнелии де Ланге17. Их проявления могут быть довольно разными и, вероятно, определяются тем, какой именно ген мутирует и какова эта мутация. Обычно дети с этими заболеваниями рождаются слишком маленькими и в дальнейшем сохраняют это отставание в росте. Они испытывают трудности с обучением. Зачастую у них деформированы конечности18.
Подобный «петлевой» механизм распространен довольно широко. Возможно, он применим не только к энхансерам. Не исключено, что с его помощью и другие регуляторные элементы сближаются с теми или иными генами. В рамках исследования трех клеточных типов, затронувшего лишь 1% человеческого генома, удалось выявить более 1000 таких дистанционных взаимодействий в каждой линии клеток. Эти сложные взаимодействия чаше всего связывали области, разделенные примерно 120 тысячами пар нуклеотидных оснований. Среди более чем 90% таких петель ближайший ген просто игнорировался. Представьте, что вам понадобилось одолжить немного сахара, и вы отправляетесь не к ближайшему соседу, а к кому-нибудь, кто живет в полумиле от вас.
Продолжим тему соседей. Описываемые внутриклеточные взаимодействия ужасающе легкомысленны. Представьте себе свингерскую вечеринку 1970-х, только во много раз более разнузданную. Исследователи обнаружили, что у некоторых генов количество различных регуляторных областей, с которыми они взаимодействуют, доходит до 20. А у некоторых регуляторных областей количество генов, с которыми они взаимодействуют, доходит до десятка. Вероятно, не все эти взаимодействия происходят в одной и той же клетке в одно и то же время. Ученые показали главное: между генами и регуляторными регионами нет добропорядочных однозначных отношений «А и В». Нет, мы имеем дело со сложным набором взаимодействий, дающим клетке (или организму в целом) необычайно гибкие возможности регулирования всего этого пестрого узора генетической экспрессии19. Нам еще многое предстоит выяснить об этих сетях и о том, как они действуют. Сейчас дело выглядит так: мусорная ДНК, формирующая промоторы, заводит наши генетические моторы, но есть и мусорная ДНК, формирующая длинные некодирующие РНК и энхансеры. Она-то и превращает двигатель из слабенького сандеровского в такой, который вполне может разогнать «вейрон» на автостраде жизни.
От кустарного промысла до фабричного конвейера
Несомненно, образование петель между отдельными регуляторными областями и генами — явление примечательное. Однако в клетках происходит и череда других дистанционных взаимодействий, еще более впечатляющая. Чтобы осознать ее значение, совершим небольшой экскурс в историю. В Британии начала XIX века основную часть текстильных работ выполняла кустарная промышленность. В сущности, речь идет о надомном производстве. Каждое из таких хозяйств производило сравнительно немного. Если для какого-нибудь региона страны составить карту центров текстильного производства того времени, вы увидите множество отдельных точек, каждая из которых показывает дом, где велось производство. А полвека спустя, в эпоху промышленной революции, картина стала совершенно иной. Вместо довольно однородного распределения точек, как на полотне пуантилиста, вы увидите на карте лишь несколько больших пятен, показывающих расположение крупных фабрик.
В человеческой клетке каждого типа обычно включены тысячи генов, кодирующих белки. Эти гены распределены по нашим 46 хромосомам. Можно бы ожидать, что при анализе клеток те места, где расположены включенные гены, будут выглядеть как тысячи крошечных точек, разбросанных по всему ядру. Однако (схематически это показано на рис. 12.4) на самом деле мы увидим лишь примерно 300-500 более крупных пятен20. Генетическая экспрессия в наших клетках — это вам не надомное производство. Она происходит в определенных местах ядра — на клеточных фабриках21.
Рис. 12.4. Точками обозначены позиции расположенных в ядре генов, кодирующих белки. Если бы эти гены располагались в ядре лишь в зависимости от своего положения на хромосомах, мы увидели бы диффузную картину (слева). На самом деле гены группируются друг с другом в трехмерном пространстве, создавая узор генетической локализации, показанный более крупными точками (справа).
Каждая фабрика содержит от 4 до 30 копий фермента, создающего молекулу информационной РНК на основе матрицы ДНК. Кроме того, на фабрике имеется большое количество других молекул, которые требуются для выполнения этой работы22,23. Ферменты остаются на месте, а нужный ген «прокручивается» через них в ходе своего копирования24. Чтобы ген добрался до фабрики, ДНК должна образовать петлю, дотягиваясь до нужной части клеточного ядра. Однако самый хитроумный фокус — в том, что на одной и той же фабрике может копироваться в информационную РНК более одного гена одновременно. Комбинация генов на той или иной фабрике не случайна. Как правило, там собираются гены, кодирующие те белки, которые выполняют в клетке родственные функции. Это как если бы на обычной фабрике у вас имелось несколько параллельных сборочных конвейеров. Как только все линии завершат выполнение своих индивидуальных задач, фабрика может собрать конечный продукт из получившихся компонентов. Одна фабрика делает лодки, другая выпускает миксеры. Фабрики в наших клетках обеспечивают скоординированную экспрессию генов. А значит, хромосомы одновременно образуют множество петель, сходящихся в одних и тех же областях.
Вот, к примеру, фабрика генов, кодирующих белки, необходимые для создания гемоглобина, сложной молекулы, которая переносит кислород в крови25. Другая фабрика используется для производства белков, необходимых для формирования сильной иммунной реакции26. Важная составляющая эффективного иммунного отклика — синтез белков, именуемых антителами. Антитела циркулируют в крови и других средах, связываясь с любыми чужеродными объектами, которые они обнаруживают. Ученые активировали клетки, вырабатывающие антитела, и стали исследовать, как ключевые гены будут образовывать петли. Изучались как раз гены, требуемые для создания антител. Как выяснилось, эти гены направлялись на одну и ту же фабрику. Любопытно, что некоторые из них при обычных условиях физически отдалены друг от друга, поскольку находятся на разных хромосомах.
Этот замечательный способ координации генетической экспрессии может повлечь за собой и некоторый риск. Лимфома Бёркитта — агрессивная форма рака, о которой мы уже упоминали в этой главе. При данном заболевании аномальным становится как раз тот тип клеток, который вырабатывает антитела. Сильный промотор с одной хромосомы занимает аномальную позицию рядом с геном другой хромосомы. До недавнего времени мы не понимали, почему эти области так склонны к объединению. Мы считали их физически отдаленными друг от друга, ведь они расположены на разных хромосомах. Но теперь нам известно, что обе области, обменивающиеся материалом и тем самым создающие эту опасную аномалию — гибридную хромосому, — способны перемещаться на фабрику, описанную чуть выше. Возможно, именно таким образом эти две различные хромосомы сближаются достаточно тесно, чтобы обменяться генетическим материалом. Не исключено, что обмен происходит, когда обе одновременно ломаются и затем неправильно ремонтируются на этой фабрике.
Может показаться, что эволюция в процессе отбора предпочла бы отбраковать эту опасную ситуацию. Но следует помнить, что естественный отбор зиждется на компромиссах, а не на стремлении к абсолютному совершенству. Возможность вырабатывать антитела, борющиеся с инфекциями, а значит, помогающие нам прожить достаточно долго, чтобы успеть размножиться, дает преимущества, явно перевешивающие потенциальные негативные последствия в виде увеличения риска развития онкологических заболеваний.