Биологи совершили прорыв, выявив сразу несколько десятков уникальных для человека регуляторов, управляющих работой генов. Их роль в эволюции нашего вида может быть очень велика. Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Genetics.
Исследователи нашли новые генетические механизмы, отличающие нас от шимпанзе.
Как известно, молекула ДНК состоит из двух нитей, соединённых в двойную спираль. Нить ДНК – это длинная цепочка, построенная из отдельных блоков (нуклеотидов). Нить ДНК можно сравнить с длинной строкой, только "букв" (нуклеотидов) в её алфавите всего четыре: аденин, цитозин, гуанин и тимин (кратко А, Ц, Г и Т). Например, фрагмент нити может выглядеть так: АЦЦЦТААГГТЦАГАТТ…
После расшифровки генома шимпанзе, нашего ближайшего родственника среди современных животных, генетики сравнили ДНК двух видов "побуквенно". Вот у человека на первой (второй, десятой, миллионной…) позиции в строке стоит такой-то нуклеотид, а какой у шимпанзе? Выяснилось, что в 99% случаев такой же. То есть наши геномы отличаются только на 1%. К слову, это всего в десять раз больше различий в генах, чем бывает между разными людьми (в среднем 0,1%).
Но идея взять шимпанзе на работу или вступить с ним в брак, потому что это на 99% человек, вряд ли встретит понимание. Как же всего 1% генов мог породить столь впечатляющие различия между видами? Один из ответов состоит в том, что часть этих генов контролирует работу других генов.
Как известно, ген – это инструкция по синтезу молекулы белка. Этот белок может быть строительным материалом, ускорять нужные химические реакции или делать ещё что-нибудь.
Но есть особые белки под названием транскрипционные факторы (ТФ). Такой белок входит в контакт с молекулой ДНК и распознаёт в "строке" из нуклеотидов определённое "слово". Это "слово" или совокупность "слов", построенных по определённым правилам, называется мотивом.
Распознав свой мотив, ТФ прикрепляется к нему. Своим присутствием такой "гость" начинает влиять на работу генов, оказавшихся с ним рядом. Таким образом, ген, кодирующий сам ТФ, фактически управляет работой тех генов, рядом с которыми этот ТФ в итоге окажется. Поэтому гены, кодирующие ТФ, называются регуляторами.
Регуляторы могут управлять работой других регуляторов, и так далее в несколько уровней иерархии. Таким образом, случайная мутация, затронувшая регулятор верхнего уровня, может изменить работу многих генов, определяющих множество признаков организма. Это один из механизмов, позволяющих эволюции путём мутаций в отдельных генах производить в строении организмов настоящие революции.
Неудивительно, что биологи давно изучают вопрос, насколько различаются транскрипционные факторы у разных животных. Но до сих пор взорам учёных открывалось удивительное единообразие.
Даже у человека и мушки дрозофилы (!), а тем более у человека и шимпанзе, набор ТФ почти совпадает. И до сих пор считалось, что почти одинаковые ТФ прикрепляются к одним и тем же мотивам. А поскольку молекулы ДНК наших видов, как мы помним, очень похожи, поблизости от данного мотива у человека и шимпанзе окажутся, скорее всего, одни и те же гены.
Расхождение по мотивам-мишеням между ТФ различных видов. На круговых диаграммах показана степень сходства между ТФ разных классов у данного вида и у остальных.
Однако в этой логической цепочке оказался изъян. Новое исследование опровергает тезис, что похожие по строению ТФ прикрепляются к одним и тем же мотивам. Первый автор статьи Сэмюэль Ламберт из Университета Торонто разработал новый метод сравнения транскрипционных факторов между собой.
Напомним, что молекула белка – это тоже "строка из букв", только буквами в данном случае являются аминокислоты, и в алфавите их 20. Можно вычислить, насколько похожи два ТФ, сравнив их "побуквенно". Именно так и работали предыдущие алгоритмы.
Но аминокислоты, которые непосредственно контактируют с ДНК, составляют лишь небольшую часть молекулы ТФ. А между тем именно они в первую очередь определяют, на какой мотив "сядет" белок. Образно можно сказать, что мотив – это замо̀к, а ТФ – громоздкая конструкция, из которой торчит небольшой ключ. Какой замок будет открыт, определяет строение ключа, а не окружающих его агрегатов.
Этот факт и был учтён в новом методе. Рассчитывая степень сходства ТФ разных видов, компьютер придаёт больший вес различиям в тех участках, которые непосредственно связываются с ДНК ("ключе от замка").
Такая методика позволила выяснить, что белки, которые по прежним методикам подсчёта получались почти одинаковыми, на самом деле стыкуются с разными участками ДНК и, значит, влияют на разные гены.
"Даже у близкородственных видов существует немаловажная часть ТФ, которые могут связываться с разными последовательностями [нуклеотидов], – рассказывает Ламберт. – Это означает, что они могут иметь разные функции, регулируя работу различных генов, что может быть важно для видовых различий".
Так, оказалось, что почти половина мотивов, которые являются мишенями для тех или иных ТФ человека, не привлекает внимания транскрипционных факторов дрозофилы, и наоборот. Таким образом, выводы предыдущих исследований о нашем почти полном сходстве с мухами в этом вопросе, похоже, оказались преждевременными (что, разумеется, льстит самолюбию человечества).
Разница между человеком и шимпанзе не столь впечатляет. Но и здесь нашлись десятки уникальных для человека транскрипционных факторов, влияющих на работу сотен генов.
"Мы полагаем, что эти молекулярные различия могут быть причиной некоторых различий между шимпанзе и людьми", – говорит Ламберт.
Особенно много вновь выявленных уникальных для человека ТФ оказалось среди цинковых пальцев. Так называются белки с характерной структурой, напоминающей палец, содержащие ионы цинка.
Функции этих белков пока недостаточно изучены. Однако известно, что организмы с более разнообразными цинковыми пальцами имеют больше типов клеток. Клеточное разнообразие, возможно, позволяет им создавать более сложные органы с тонкими функциями. Не исключено, что эти белки сыграли свою роль в развитии нашего уникального для животного мира мозга и иммунной системы.
Также цинковые пальцы влияют на половой диморфизм, то есть на анатомические различия между самцами и самками одного вида.
Точные функции найденных уникальных для человека ТФ ещё предстоит установить. И вряд ли это будет просто сделать, учитывая, что таких белков нет у подопытных животных.
К слову, новые результаты могут оказаться неприятной новостью для многих биологов. Как известно, лучший (и, возможно, единственный по-настоящему результативный) метод выяснить функцию того или иного гена – это "сломать" его и посмотреть, как такая мутация отразится на подопытном организме. Разумеется, над людьми такие опыты проводить никто не станет, но экспериментаторы пользуются тем, что подавляющее большинство генов у человека и, скажем, мыши совпадают или почти совпадают.
Как теперь выяснилось, с генами, кодирующими транскрипционные факторы, нужно проявлять повышенную осторожность, ведь их внешняя схожесть не гарантирует, что ТФ прикрепляется к одним и тем же мотивам и выполняет одни и те же функции.
Источник: ВЕСТИ НАУКА
