Исследование пузырчатки - новое слово в споре об избыточной ДНК
Так называемая избыточная ДНК, занимающая большую часть генома и не содержащая информацию о структуре белков, на самом деле не нужна для функционирования здорового организма, утверждают ученые. «По крайней мере для одного растения "бросовая" ДНК – это просто мусор, она не нужна», - заявил соавтор исследования Виктор Альберт (Victor Albert), специалист по молекулярной эволюционной биологии из Университета штата Нью-Йорк в Буффало.
Хотя эти выводы были сделаны на материале лишь одного насекомоядного растения, они могут быть актуальны и для генома человека: «рабочие» гены занимают в нем всего 2%. Что же касается остальных 98%, то они, уверяли исследователи, могут выполнять какую-то важную функцию, пока нам неизвестную.
А что же случится, если избавиться от этих «лишних» генов? Вырастет ли тогда живой и здоровый человек? Такой генетический эксперимент, конечно, остается в области фантастики – он невозможен как технически, так и по этическим соображениям – но его, возможно, провели некоторые виды в естественных условиях .
Например, пузырчатка вздутая (Utricularia inflata). Это насекомоядное растение, живущее в пресной воде – гений минимализма в мире скопидомов. У лука, к примеру, геном в пять раз длиннее человеческого – около 15 миллиардов «букв» ДНК. У пшеницы – еще больше. Но богатства даже этих «миллиардеров» меркнут по сравнению с геномом японского вороньего глаза (Paris japonica): 150 миллиардов пар оснований – настоящий чемпион среди растений. https://sexedate.ch/escort-geneve/
А у пузырчатки их всего каких-то 82 миллиона. Энрике Ибарра-Лаклет (Enrique Ibarra-Laclette), сотрудник Центра исследований при национальном политехническом институте (Мексика) секвенировал ее геном и обнаружил, что в нем почти отсутствует избыточная ДНК. Гены растения тесно сжаты, и около ¾ их отвечают за формирование белков. Избыточных последовательностей мало, они фрагментарно рассеяны по геному. И при этом растение выжило.
Как говорится, никогда не поймешь, как важно что-то для тебя, пока это не потеряешь. Верно и противоположное – если что-то потерять, то нередко увидишь, что без него можно было прекрасно обойтись.
На Земле имеется больше 200 видов пузырчатки, и все они любят воду и «мясо». Пузырчатка вздутая растет в прудах и озерах, и дает желтые, похожие на орхидую цветки. А под водой у нее есть специальные мешочки, которые мгновенно раскрываются и засасывают насекомых, головастиков и даже мелких рыбешек.
Когда ученые впервые секвенировали геном пузырчатки, они надеялись обнаружить «минимальный» геном среди растений. Они были уверены, что растение урежет геном до предела, оставив лишь самые важные пары, а избыточные гены и гены-дублеры будут безжалостно «вычеркнуты».
Но оказалось не совсем так. У пузырчатки имеется примерно 28,500 генов. Что еще более странно, эти гены скрывают бурную историю расширения и сокращения генома. Ученые обнаружили, что гены некоторых родственников растения (винограда и томата) в 8 раз чаще встречаются в геноме пузырчатки. Это указывает на то, что как минимум три раза в ходе эволюции растение удваивало весь свой геном – а потом потеряло большинство «лишних» генов. То есть, ее геном прошел три цикла «разбухания» перед тем, как начать уменьшаться.
«Динамика генома скрывает именно эти силы. Расширение и сжатие. Дублирование и стирание. Размер генома меняется в зависимости от того, как эти противоположные силы действуют в рамках естественного отбора», - объясняет Альберт.
С одной стороны, избыточная ДНК обеспечивает топливом эволюцию, позволяя процессу естественного отбора «играться» с последовательностями, которые не играют жизненно важной роли. С другой стороны, слишком большая ДНК очень дорого стоит с энергетической точки зрения – ведь ее всю нужно дублировать при каждом делении клеток. Если выгоды от избыточной ДНК превышают затраты, то мы имеем «раздутый» геном лука. Если наоборот – «скудный» геном пузырчатки.
Это растение выкинуло большинство лишнего генетического «груза». Повторяющиеся фрагменты ДНК занимают лишь 3% генома (сравни с 10-60% у других растений). Ретротранспозоны - «прыгающие» гены, распространяющиеся по ДНК методом «копипаста» и занимающие большую часть генома множества растений – сведены к 2,5%.
«Некодирующая, избыточная ДНК, должно быть, не имела эволюционной ценности для этого растения, иначе процесс естественного отбора противостоял бы тенденции к сокращению генома», - рассказывает Альберт.
Авторы исследования не знают, как пузырчатка пришла к «минималистичеому» геному, но свидетельств того, что естественный отбор благоприятствует ликвидации избыточной ДНК, они так же не обнаружили. Эндрю Лийч (Andrew Leitch), специалист по генетике растений из Университета Квин Мэри (Лондон), удивляется этому факту. Он заметил, что пузырчатки растут в среде, бедной фосфором. Именно поэтому они поедают животных – чтобы извлечь фосфор, который является материалом для ДНК. Логично предположить, что это растение эволюционировало в сторону сокращения ДНК, чтобы экономить фосфор.
Однако авторы исследования считают иначе. Сокращение ДНК пузырчатки могло случиться в итоге чрезвычайно небрежной рекомбинации, в ходе которой масса ДНК случайно была «вычеркнута».
Данное исследование заставляет в новом свете посмотреть на гигантский международный проект ENCODE (энциклопедия элементов ДНК), цель которого - произвести полный анализ функций элементов генома человека.
В вызвавшей немало споров работе, опубликованной в прошлом году, участники проекта заявили, что около 80% генома человека занимается какой-либо «функциональной деятельностью»: или контролирует работу генов, или транскрибируется в молекулы РНК. Согласно ENCODE, геном – это не огромная свалка, а кипящие жизнью джунгли, наполненные скрытыми регуляторами и другими действующими механизмами.
Но критики проекта утверждают, что авторы ENCODE растянули значение понятия «функция» до степени обессмысливания. Проще говоря, если что-то случается с или на фрагменте ДНК – это не значит, что данный фрагмент выполняет важную функцию. Абсолютно случайный набор «букв» в геноме, вероятно, показал бы такую же бурную «деятельность».
Пример пузырчатки хорошо подтверждает эту критическую позицию. «Как минимум, для сложного цветкового растения скрытые биологические регуляторы в избыточной части ДНК просто не являются необходимыми» - заявляет Альберт. «Если растение может избавиться от избыточного ДНК, вполне возможно, что его функцию выполняет что-то еще. Наше исследование также заставляет усомниться в тезисе о значимости избыточной ДНК для генома человека, как заявили участники проекта ENCODE», - рассказывает Луис Херрера-Эстрелла (Luis Herrera-Estrella), руководитель исследования.
«Данная работа ставит под вопрос убежденность некоторых генетиков и биологов в том, что все последовательности ДНК должны выполнять какую-то функцию. Если не относиться серьезно к огромной вариативности размеров генома у животных и растений, эта позиция слишком наивна» - заявил Т. Райан Грегори (T. Ryan Gregory), специалист по эволюции размеров генома из Гелфского университета (Канада). В 2007 году Грегори придумал так называемый «луковый тест»: если избыточная ДНК так важна, то почему луку нужно так много ее – больше, чем человеку, или другим растениям? «Луковый тест с тем же успехом можно назвать “тестом пузырчатки”: если некодирующие части ДНК выполняют важную функцию, то почему такое растение может обходиться почти без них?».
По материалам Live Science и National Geographic.
Артём Космарский nauka21vek.ru