На прошлой неделе группа исследователей из более чем двух десятков научно-исследовательских институтов объявила о прорыве в 30-летней работе по созданию высококачественной последовательности генома человека. Хотя первый черновой вариант проекта "Геном человека" был создан 20 лет назад, почти 8 процентов ДНК человека оставались загадкой. Теперь почти все части генома - все, кроме Y-хромосомы, - расшифрованы.
Недавно нанесенные на карту регионы позволят генетикам заглянуть в те участки генома, которые раньше называли "нежелательной ДНК". Теперь понятно, что эти участки имеют фундаментальное значение для эволюции, роста эмбриона, а также способов репликации и смерти клеток.
"Мы обнаружили, что все гораздо разнообразнее, чем мы могли предположить", - говорит Рейчел О'Нил, сравнительный биолог из Университета Коннектикута и соавтор работы над последовательностью. Предыдущие результаты были "похожи на изучение культуры, музыки и языка планеты Земля и игнорирование всей Африки".
Все выдающиеся участки оставались загадочными, потому что они состоят из сложных повторяющихся последовательностей ДНК. Участок этого генетического материала может состоять из последовательности длиной в тысячу букв, которая повторяется тысячи раз. "Они эволюционировали благодаря повторению", - сказал в интервью журналу Popular Science в начале этого года Бенедикт Патен, специалист по вычислительной биологии из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и соавтор новой последовательности.
Чрезвычайная повторяемость сделала секвенирование особенно сложным. Хотя генетическое секвенирование стало намного быстрее и дешевле, чем было, когда геном человека был впервые реконструирован два десятилетия назад, наиболее распространенная технология сейчас предполагает считывание коротких фрагментов генома. Эти фрагменты собираются в полную картину путем подбора мест, где последовательности ДНК пересекаются. Собирание повторяющихся фрагментов напоминает работу над пазлом стада зебр. Исследователям пришлось разработать инструменты для чтения чрезвычайно длинных нитей ДНК и закодировать новые алгоритмы для составления окончательной картины.
Исторически сложилось так, что генетики называли большие участки генома, включая недавно секвенированные регионы, "хламом". Подавляющее большинство исследований в области генетики было сосредоточено на генах - сравнительно крошечных участках ДНК, которые транскрибируются в РНК, а затем преобразуются в белки - молекулярные рабочие лошадки биологии. Нежелательная ДНК, составляющая 98 процентов всего генома, не трансформируется в функциональные белки. "Если вас интересует только этот путь от гена к белку, все остальное - мусор", - говорит О'Нил.
Но за последние два десятилетия биологи поняли, что информация, содержащаяся в этом "хламе", является основополагающей для жизни, какой мы ее знаем - это сродни тому, как если бы мы узнали, что полки библиотеки также покрыты письменами. "Хлам для одного человека - это сокровище для другого", - говорит О'Нил. "Я занимаюсь сокровищами".
Геном человека состоит из 46 хромосом, Х-образных "библиотек" сплетенной ДНК. В новой последовательности рассматриваются три части этих хромосом: теломеры - "концевые колпачки" хромосом, которые предотвращают стирание ДНК; центромеры - плотные узлы ДНК в середине каждой хромосомы, которые имеют решающее значение для репликации ДНК; и ДНК в "руках" хромосом, которые используются для создания фабрик белка, называемых рибосомами.
Хотя эта ДНК не производит белки, она может производить РНК. И хотя РНК обычно рассматривается как чистый носитель информации, она также может быть активным участником клетки, присоединяясь к другим молекулам и способствуя химическим реакциям. (Именно поэтому некоторые эволюционные биологи считают, что самые ранние организмы состояли исключительно из РНК, которая могла содержать как чертежи, так и инструменты для репликации).
В центромерах РНК помогает управлять хромосомами в процессе их репликации. Без РНК весь геном распадается на части. ДНК в теломерах "концевых колпачков" производит повторяющиеся нити РНК, которые удерживают концы вместе и, по-видимому, играют роль в процессе клеточного старения, соединяя теломеры по мере их износа.
ДНК, направляющая строительство рибосомы, называемая рДНК, может иметь столь же широкую роль. В школьных учебниках по биологии рибосомы обычно описываются как тупые машины, которые считывают РНК и выплевывают белки. Но, как объясняет Мария Барна, генетик из Стэнфордского университета, не участвовавшая в работе над новой последовательностью, разные рибосомы, по-видимому, выполняют несколько разные функции.
Ключом к разгадке снова является РНК. Четыре "вида" рибосомной РНК, кодируемой рДНК, вплетены в структуру фабрики. Разные участки рДНК создают несколько разных подвидов. "То, что выясняется сейчас на основе данных, полученных от теломеры к теломере, - это огромное разнообразие рДНК", - говорит она. "Почти 25 процентов рДНК могут быть изменчивыми".
Барна говорит, что не все эти варианты действительно попадут в рибосомы. Но это разнообразие может сыграть свою роль во всем: от создания сверхточных рибосом для нейронов для построения специализированных белков до способности опухоли расти. "Теперь у нас есть первый взгляд на возможности этих вариантов, которые могут быть использованы как для нормальной клеточной дифференциации, так и для заболеваний", - говорит Барна.
Структура повторяющихся последовательностей, вероятно, имеет значение. Повторы могут развиваться очень быстро, перескакивая с хромосомы на хромосому или перемещая целые гены. И даже у близкородственных организмов центромеры и теломеры могут сильно расходиться - что позволяет предположить, что они играют определенную роль в появлении новых видов.
"Это парадокс", - говорит О'Нил. "Одна из наиболее консервативных функций, которую мы разделяем от зверей до людей, является также одной из наиболее дивергентных частей хромосомы". Остается открытым вопрос, как такие основополагающие части всей биологии могут быть настолько гибкими.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей об интересных вещах!