Имеет ли смысл прогрессивная эволюция? Часть II.

Так для чего же нужна такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность сплайсинга ? А для

аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

В этом "гене" 12 экзонов и 12 интронов. Если в 12 стадий удалить поочередно все интроны, то получится название особого типа сплайсинга: альтернативный.

И вот в чем смысл альтернативного сплайсинга: некоторые четко определенные экзоны вырезаются вместе с интронами. И тогда из "аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс" получится:

альтернативный + ища+цуюофе+ол+жиукеую+бюу+ха+про+бюу+ьцф+ооопс
альт + ища+цуюофе+ол+жиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс
нативный + аищалцуюофеьолтжиуекерую+бюу+ха+про+бюу+ьцф+ооопс
наивный + аищалцуюофеьолтжиуекерую+бюутха+про+бюу+ьцф+ооопс
левый + аища+цуюофеьолтжиу+керуюнабюутхаипро+бюуньцф+ооопс
лев+аища+цуюофеьолтжиу+керуюнабюутхаипро+бюуньцфыйооопс

В итоге из одного, казалось бы, бессмысленного слова, получено шесть вполне осмысленных. А если это слово - ген?

Действительно, путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально разных белков. На данный момент максимальное известное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40000! (Сумма прописью - сорок тысяч). Например, ген дрозофилы, который кодирует один из белков рецептора аксона, за счет альтернативного сплайсинга может приводить к образованию 38 016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов. Но все ли гены экспрессируются за счет альтернативного сплайсинга? Согласно текущим знаниям, по крайней мере 74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга! (9,10).

Теперь самое время задаться вопросом: что такое ген?
Ген (эукариотный) - это длинная и преимущественно случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и объединения в строго определенной очередности кодировать определенную функцию.

Особо отметим, что при альтернативном сплайсинге порядок расположения экзонов не нарушается. В окончательном варианте сплайсированной РНК некоторые экзоны могут присутствовать или отсутствовать, но местами они не меняются. Например, в окончательно сплайсированной РНК экзоны 1-2-3-4-5-6 могут быть, например, в последовательности 2-4-6, но не в последовательностях 4-2-6 или 6-4-2. Таким образом, из одного и того же трансрипта гена, используя разные варианты распознавания, вырезания и соединения разных экзонов, можно получить множество разных изоформ белков, у которых будут общими некоторые аминокислотные последовательности, но которые будут отличаться по своим функциональным свойствам. И то, что сначала наивно полагали бессмысленным - мозаичная структура генов - на деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счет ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этих смыслов. Путь альтернативного сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими ее состояние. В ответ на изменение физиологической ситуации из одного и того же гена реализуются разные функции.

Весьма принципиально, что при эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает. По мере эволюционного усложнения организмов увеличивается не только количество интронов, но и их длина. И размер генома коррелирует с общей длиной интронов, содержащихся в генах данного вида; интроны беспозвоночных короче, чем интроны генов человека, а интроны дрожжей короче, чем интроны беспозвоночных. В общем, в гене суммарная длина интронов может превосходить суммарную длину экзонов в десятки и сотни раз.

Если секвенирование (определение нуклетотидной последовательности, sequence - последовательность) эукариотных генов привело к ошеломляющему открытию их мозаичной структуры, то массовое секвенирование целых геномов разных организмов привело к результатам просто изумляющим. У мыши, человека, у рыбы фугу (рыба-шар) количество генов практически одинаково - 30000-40000. Что же тогда определяет эволюционную сложность?

Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99%! Почему же мы так не похожи на мышей? А?

Может быть, и потому, что, несмотря на то, что наши гены похожи на мышиные, у нас альтернативный сплайсинг идет или по другим путям, или более множественный. Или и то и другое одновременно. Ведь не зря же по мере прогрессивной эволюции среднее количество интронов (а значит, и экзонов), приходящихся на один ген, возрастает? Ведь это расширяет спектр белков, потенциально кодируемых одним геном. И в результате из-за разного альтернативного сплайсинга из почти одних тех же генов получается или мышь, или павиан, или тот (или та), кто в данный момент читает эти строки.

Альтернативный сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Материал эволюции - генетическое разнообразие, а двигатель - естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг приводит к такому разнообразию белков, что... Посудите сами. Комбинация только из трех генов, каждый из которых может кодировать только 1000 вариантов белков, дает 1000000000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трех белков). А если таких генов 1000? А если 10000?

Каков был механизм возникновения мозаичных генов и путей альтернативного сплайсинга? Похоже, в составе древних самовоспроизводящихся молекул (или их агрегатов, или древнейших клеток) присутствовали: во-первых, "генератор случайных чисел", механизм, который синтезировал протяженные случайные последовательности нуклеотидов, и, во-вторых, механизм, разрезавший эти последовательности на случайные фрагменты и, в разных комбинациях, эти фрагменты соединявший. А затем естественный отбор оценивал результат. Если результат соединения фрагментов улучшал самовоспроизведение, такой мозаичный ген и пути его альтернативного сплайсинга сохранялись, если нет - нет.

И самое поразительное: точечные мутации в экзоне могут приводить к изменению пути сплайсинга, иначе говоря, изменение буквы в слоге может вести к изменению путей его соединения с другими слогами. Случайная точечная мутационная изменчивость приводит к изменчивости более высокого уровня - к изменчивости пути комбинирования субсмысловых блоков. Разумеется, это сильно ускоряет эволюцию (11).
Но разоряет геномные фирмы.

- Дама ваша убита, - ласково сказал Чекалинский.
Германн вздрогнул; в самом деле, вместо туза у него стояла пиковая дама.
Он не верил глазам своим, не понимая, как он мог так обдернуться.
Пушкин

Проект "Геном человека" - секвенирование генома Homo sapiens - по свой научной значимости и амбициозности сравнивают с программой пилотируемых полетов на Луну. Стоимость этих программ сопоставима. Миллиарды долларов. Но инициаторы проекта "Геном человека", кроме научных целей, имели еще и грандиозные планы практического использования генетической информации, которая должна быть получена в результате его выполнения. А где практическое использование - там и коммерческий интерес. Предполагалось, что информация о геноме человека будет полезна для ранней молекулярной диагностики наследственных заболеваний и для их лечения путем заместительной генетической терапии (дефектный ген замещается на нормальный). Планировалась, что информация о генах человека приведет к разработке нового поколения лекарств, создаваемых на основе знаний о нарушениях функционирования определенных белков. Если знать, как кодируется и экспрессируется дефектный белок, приводящий к заболеванию, то станет возможным создать такие молекулы, которые будут направленно исправлять патологические процессы уже на молекулярном уровне. А это, как прогнозировалось, может принести миллиардные прибыли. Но сначала были необходимы многомиллионные инвестиции. И они были сделаны. Были созданы фирмы, которые проводили секвенирование генома человека. Информация о нуклеотидных последовательностях, которая, как полагалась, приведет к разработке новых методов диагностики и терапии, патентовалась.

Но разве нуклеотидная последовательность эукариотного гена дает однозначную информацию о том, какой именно белок он кодирует? Нет. Детерминизм здесь невозможен! Все зависит от пути альтернативного сплайсинга. А этих путей для одного гена может быть десятки тысяч. Выделить и охарактеризовать десятки тысяч белков и установить, из-за какой именно изоформы происходит патология - задача практически нерешаемая. По крайней мере, пока. И знаменитый дешифровальщик генома человека Крейг Вентер покидает пост директора геномной фирмы Celera Genomics и меняет направление своего бизнеса. Теперь он занимается дешифровкой геномов бактерий. Его научный корабль бороздит волны Саргассова моря (в районе Бермудского треугольника), экипаж отлавливает морских микробов и секвенирует их геномы прямо на корабле. Суммарная длина всех уже просеквенированных нуклеотидных последовательностей - более 1 млрд нуклеотидов, она относится к 1800 видам бактерий, из которых 148 видов ранее известными не были. Цель проекта - поиск новых генов, имеющих прикладное значение. Разумеется, работать с прокариотными генами несоизмеримо проще: один ген - один белок. (Микробы "пошли другим путем"). Если Крэйг Вентер уже подал в отставку, то директор геномной фирмы Human Genome Science Уильям Хэзелтайн пока только объявил, что собирается "перейти на другую работу" (12).

Итак, путь прогрессивной эволюции направлен
- от простого воспроизведения рибозимов, увеличивающих их количество, к увеличению их длины за счет дупликаций и дивергенции дуплицированных генов за счет субфункционализации.
- от случайного перебора нуклеотидов, к случайному перебору экзонов, кодирующих субсмысловые модули и к перебору путей их альтернативного сплайсинга.

Принципиально, что случайно образовавшиеся дупликации подвергаются случайному мутационному процессу, влияющему на исходно одинаковые функции обоих генов. А действие отбора, направленного на поддержание исходной общей функции, приводит к дивергенции функций дуплицированных генов. Это ведет к тому, что если до дупликации определенную функцию выполнял один ген, то после дупликации и мутационного процесса эту функцию могут выполнять уже два гена и только совместно, но не порознь. И все это приводит к весьма важному и новому для теории эволюции выводу: прогрессивная дивергентная эволюция происходит без изменения условий среды в результате постоянно идущих случайных мутационных процессов, главную роль в которых играют спонтанные дупликации генов (и геномов). Отбор, который при этом действует, является ни направляющим, ни дизруптивным, но стабилизирующим (очищающим от вредных мутаций). Прогрессивная эволюция, сопровождающаяся усложнением, не имеет адаптивного (по отношению к окружающей среде) характера. Это весьма неожиданное и принципиальное положение было сформулировано совсем недавно (13).

Разумеется, такое "прогрессивное" усложнение должны быть "совместимым с жизнью", о тех случаях, когда оно было летальным, мы не узнаем никогда. И, разумеется, после такого "усложнения" направляющий или дизруптивный отбор подгоняет (адаптирует) организмы к конкретным условиям окружающей среды.
Когда мы обсуждали строение эукариотного гена, речь шла о "бессмысленных интронах". Зададимся, однако, более общим вопросом: в чем эволюционный смысл бессмысленной ДНК?

А жизнь, как с холодным вниманьем посмотришь вокруг,
Такая пустая и глупая шутка.
Лермонтов

Самая обескураживающая шутка, которую эволюция сыграла над человеком - это количество генетической информации, которое имеет амеба. Ибо одноклеточная амеба имеет ДНК в 200 раз больше, чем "венец" эволюции. У амебы в ДНК около 600 млрд нуклеотидов, у нас - 3 млрд. Ну зачем ей столько? И что там написано? А написаны там (миллионы раз!) несколько "бессмысленных слов". И с современной точки зрения они ничего не значат. Действительно, 99% генома человека не кодирует белков, эти не кодирующие последовательности представлены не только интронами и межгенными областями, но, преимущественно, разными типами многократно повторяющихся последовательностей длиной примерно в 10, 100, 1000 и более нуклеотидов. Эти повторы (имеющиеся у всех эукариот) могут быть расположены непрерывно друг за другом (тандемные, локализованные), или быть рассеянными по геному по одиночке (диспергированные). Согласно механизмам происхождения эти повторы разделяют на т.н. сателлитную ДНК (которая может образовываться при определенных ошибках репликации) и т.н. ретропозоны, которые образуются из-за ошибок обратной транскрипции, когда случайно происходит синтез ДНК на матрице РНК. Вот как бывает.

Обратная транскрипция - синтез ДНК на матрице РНК - обычно происходит при размножении ретровирусов, геном которых состоит из РНК. Для полноценного жизненного цикла ретровируса на матрице его РНК должна синетезироваться ДНК, которая затем встраивается в геном клетки. Синтез ДНК на матрице РНК проводит фермент - обратная транскриптаза. Но, как известно, no one is perfect (что в переводе на русский означает: "и на старушку бывает прорушка" :). Вот именно эта прорушка и играет важнейшую роль в прогрессивной эволюции. Ретровирусная обратная транскриптаза по ошибке начинает синтезировать ДНК не на вирусной РНК, а на клеточной мРНК. На той, какая "под руку подвернется". И после массового увеличения количества копий этого случайно образовавшегося "бессмысленного гена" происходит их случайное встраивание в случайные участки генома.

Если при массовом образовании сателлитной ДНК и массовой интеграции в геном ретропозонов нарушаются жизненно важные функции, организм погибает, если нет - выживает с грузом "бессмысленной или мусорной ДНК" (14, 15). Именно так ее и называют - junk DNA, другое ее название имеет оттенок "нравственной" оценки - "эгоистическая" (selfish) DNA. Она существует (размножается вместе с функциональными генами) только для себя и организму ничего полезного не дает. Еще одно ее название, parasitic DNA, говорит само за себя. Действительно, клеткам приходится тратить значительные ресурсы для воспроизведения бессмысленной ДНК, доля которой может достигать более чем 90%. Для того, чтобы, по крайней мере, минимизировать возможное вредное влияние паразитической ДНК (уж если избавиться от нее невозможно), она плотно запрятана (сконденсирована) в неактивных зонах хромосом (в гетерохроматине). Похоже, гетерохроматин в основном и нужен для предотвращения вредного влияния паразитической ДНК. Из этого следует, что принцип "максимум эффективности (жизнеспособности) при минимуме затрат" для эукариотных организмов не справедлив. Они, согласно текущим представлениям, без видимых для себя вредных последствий выдерживают огромный груз "бессмысленной" ДНК. Но так ли она бессмысленна?

Может, мы чего-то просто не хотим видеть? Например, что неспособность организмов избавиться от паразитической ДНК и стать максимально эффективными является еще одной (наряду с образованием дупликаций) причиной того, что мы называем прогрессивной эволюцией? Которая идет от случайного накопления бессмысленных усложнений к естественному отбору случайных осмысленных изменений, направленных на то, что бы скомпенсировать вредное действие бессмысленной ДНК.
Не похоже ли на то, что мутационный процесс и отбор "адаптировали" организм не столько к изменяющимся условиям окружающей среды, сколько к резким мутационным изменениям его внутренней "хромосомной" среды?

Обескураживающий факт отсутствия взаимосвязи между количеством ДНК, содержащемся в геноме организма, и его эволюционной сложностью, назван "парадоксом содержания ДНК" - "C-value paradox", от С - Content (16). Попытки его объяснить заставляют либо отказываться от интуитивного представления о "разумности строения живого", либо предполагать, что в генетических механизмах существует неизвестное нам измерение. Что на самом деле мы видим только внешние и доступные нашему примитивному разуму механизмы жизни. Но успехи генной инженерии по созданию вполне жизнеспособных трансгенных организмов вроде бы подтверждают, что мы более-менее правильно представляем себе, как устроены и как работают гены и геномы.

Хотя, справедливости ради, отметим, что в последнее время появляются данные о том, что и бессмысленная ДНК может иногда иметь какой-то смысл. Например, известны случаи, когда в повторяющемся элементе, находящемся внутри интрона, присутствуют нуклеотидные последовательности, которые изменяют путь стыковки экзонов и, тем самым, создают новый белок, т.е. новую функцию.

Много фактов говорят о том, что множество молекул РНК, являющихся копиями "бессмысленной ДНК", имеют регулирующие роль - они управляют работой генов, в частности, при развитии организмов (при дифференцировке клеток). Недавно появились данные, что некоторые изменения в "бессмысленной ДНК" приводят к т.н. эпигенетическим эффектам, т.е. к модификации функции генов, не сопровождающейся изменением их нуклеотидной последовательности (17).

Но в данный момент с уверенностью можно сказать, что только от 1 до 10% ДНК эукариот имеют понятный нам смысл. Остальная ДНК, видимо, во-первых, не несет существенных функций и, во-вторых, не нарушает (по крайней мере, существенно), жизнеспособности организма. Она "бессмысленна", но не смертельно. И, в третьих, как это ни парадоксально, именно "эгоистическая и бессмысленная" ДНК существенно предопределяют пути "прогрессивных" эволюционных изменений.

Когда б вы знали, из какого сора
Растут стихи, не ведая стыда
Ахматова.

Да может ли это быть, чтобы изменения "бессмысленной ДНК" направляли эволюцию жизни? В чем же тогда ее, Жизни, смысл?

При случайной вспышке массового образования "бессмысленной ДНК" (сателлитной ДНК и/или ретропозонов) происходит столь коренное изменение генома, что оно приводит если не к летальному исходу, то к образованию нового биологического вида. Основная характеристика биологического вида - репродуктивная изоляция, способность продуктивно скрещиваться только с особями своего вида и неспособность давать плодовитое потомство при скрещивании (если оно все же происходит) с представителями других видов. Один из механизмов репродуктивной изоляции основан на отсутствии высокого уровня сходства (гомологии) между геномами (хромосомами) скрещивающихся особей. При образовании оплодотворенной зиготы пары хромосом, каждая из которых исходно принадлежала одному из родителей, должны быть гомологичными и способными к рекомбинации (обмену участками ДНК между собой). Если этого нет, например, из-за того, что в хромосоме (или хромосомах) половых клеток одного из родителей произошли крупные блочные перестройки - нормального развития зиготы чаще всего не происходит. Но в весьма редких случаях, в результате произошедших в зиготе геномных перестроек, вызванных несходством родительских хромосом, все же могут образовываться жизнеспособные потомки, которые наиболее эффективно скрещиваться смогут только со своими братьями и сестрами, имеющими сходно перестроенные хромосомы. Похоже, что именно так довольно часто и происходит видообразование.

Формирование крупных блочных перестроек генома, вызванное массовым образованием повторяющихся последовательностей ДНК, иногда называют форматированием генома. Близкородственные виды почти не отличаются между собой по "смысловым", кодирующим участкам ДНК, но весьма различаются именно по "не смысловым", по повторам. Скрещиваться могут только организмы с геномами одного и того же формата. Формата, при котором одинаковые повторяющиеся участки эгоистической ДНК расположены в одинаковых местах родительских хромосом. И эволюция, образно говоря, это совместимое с жизнью переформатирование геномов за счет случайного изменения качества, количества и расположения участков бессмысленной ДНК. Естественный отбор после этого сначала удаляет нежизнеспособные варианты, а выжившие переформатированные подгоняет к более эффективному существованию в конкретных условиях окружающей среды.

А в целом похоже, что эволюция - это процесс:
- случайных дупликаций генов, приводящий из-за возникновения мутаций к их субфункционализации, т.е. к дифференциации их функций и, в итоге, к усложнению,
- случайного массового образования не кодирующей ("бессмысленной) ДНК, приводящий к видообразованию, и
- естественный отбор, нежизнеспособные формы удаляющий, а жизнеспособным благоприятствующий.

Но почему естественный отбор не удаляет те варианты, у которых много паразитической ДНК? Ведь без нее у клеток (организмов) были бы куда меньшие затраты на поддержание "бессмысленной ДНК" и куда большие шансы на эффективное размножение?

Ответ совершенно неожиданный. Естественному отбору для удаления бессмысленной ДНК просто не хватает времени, а популяции, ее несущей - астрономической численности. Случайное образование множественных копий "бессмысленной ДНК" -событие хотя и крайне редкое, но "одномоментное". В результате единичного события в геноме могут возникнуть десятки тысяч мутаций (новых копий паразитической ДНК), а их удаление (путем делеций) может происходить только постепенно, каждая копия может удаляться индивидуально и независимо от других. Если предположить, что вероятность утрат каждой из, например, 1000 копий "бессмысленной" ДНК - 1х10, то вероятность утраты всех копий сразу - 1х10. Иначе говоря, чтобы в такой популяции случайно возник вариант, сразу утративший всю "бессмысленную ДНК", ее численность должна составлять 10 особей. Число атомов во Вселенной - примерно 10. В общем, эукариоты обречены на прогрессивную эволюцию из-за того, что вероятность одномоментного образования множественной "бессмысленной" ДНК несоизмеримо выше, чем вероятность ее утраты. А "осмысленной" ДНК приходится изменяться, чтобы сосуществовать вместе с бессмысленной, а не погибнуть вместе.

И смысл эволюции в том, что она происходит за счет случайных малых изменений смысловой информации, направленных на поддержание ее сосуществования с возрастающим количеством "информации" бессмысленной.
А теперь подведем итог.

...я убежден, что Он не играет в кости...
Эйнштейн.

Жизнь - это информация, смысл которой - за счет поглощения вещества и энергии обеспечивать самовоспроизведение ее носителя и, тем самым, распространение. Она возникла (или возродилась) из остывшего пепла Большого Взрыва, создавшего Космос. И под разрушающим действием Хаоса случайных процессов жизнь стала эволюционировать, чтобы сохранить свой смысл. Первое "слово" (первая живая информационная молекула) стало превращаться в текст из синонимов, значение которых дифференцировалось и становилось все более конкретным, но все вместе они передают из поколения в поколения все тот же смысл.

Он действительно не играет в кости.
Он посылает весть - самопередающееся и самораспространяющееся сообщение, эволюционирующее, чтобы преодолеть помехи.
Которое есть Жизнь.

Литература:

9. Kolkman JA, Stemmer WP. Directed evolution of proteins by exon shuffling Nat Biotechnol 2001;19(5): 423-428.
10. Modrek B, Lee C, A Genomic View of Alternative Splicing. Nature Genetics, 2002, 30, 13-19.
11. Cartegni L, Chew SL, Krainer AR. Listening to Silence and Understanding Nonsense: Exonic Mutaions that Affect Splicing. Nature Reviews, 2002, 3, 285-298.
12. Silverman P H, Rethinking Genetic Determinism: With only 30 000 genes what is it that makes humans human? The Scientist, 2004, v.18, N10.
13. Lynch M, Conery JS. The Origins of Genome Complexity. Science, 2003, 302, N5649, 1401-1404.
14. Hurst GD, Werren JH. The role of selfish genetic elements in eukaryotic evolution. Nat Rev Genet. 2001; 2(8):597-606.
15. Kidwell MG. Transposable elements and the evolution of genome size in eukaryotes. Genetica. 2002, 115(1):49-63.
16. Gregory TR. Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev Camb Philos Soc 2001; 76(1):65-101.
17. Mattick J S. Challenging the dogma: the hidden layer of non-protein-coding RNAs in complex organismsю. BioEssays 2003, 25:930-939.