Спящие гены человека: «Молчащие» гены рассказывают об эволюции человека

База непонятных данных – Огонек № 31 (5337) от 11.08.2014

Ученые заявили, что более 90 процентов ДНК человека — это эволюционный «мусор», не имеющий никакого смысла. Означает ли это, что изучение генома можно значительно сузить, сэкономив колоссальные средства?


В нашей ДНК загадок не меньше, чем в космосе: более или менее понятно, как работает всего 8 процентов этой молекулы

Фото: AFP

Елена Кудрявцева

Сто миллионов лет назад будущий человек не особо отличался от мыши, утконоса и лошади, по крайней мере, с точки зрения генетики.

Этот милый парадокс — вывод, к которому пришли ученые из Оксфордского университета, когда решили сравнить, как на протяжении эволюции менялись геномы разных млекопитающих. С этой целью исследователи для начала попробовали выделить какие-то общие части геномов у разных видов. А в итоге пришли к тому, что все животные имеют огромную часть древних спящих генов и лишь незначительную долю работающих. У человека, к примеру, эта доля составляет всего 8,2 процента.

— Мы, как правило, ожидаем, что все части нашей ДНК должны что-то делать,— говорит один из авторов работы, доктор Крис Рэндс из лаборатории функциональной геномики Оксфордского университета,— но это далеко не так. В действительности функционирует лишь небольшая часть.

Все же остальное, уточняют его соавторы по нашумевшей публикации об этом исследовании в авторитетном журнале PLoS Genetics, по всей вероятности, бесполезно и является эволюционным «мусором». Вообще, работа британских ученых возродила давнюю войну между сторонниками теории «мусорной ДНК» и теми, кто считает геном человека полностью функциональным. Подобный поворот в принципиальном научном диспуте примечателен уже потому, что несколько лет назад сторонники теории «полностью функционального генома», потратив на доказательство своей правоты почти 10 лет и 200 млн долларов в рамках проекта ENCODE, праздновали окончательную победу. Другое дело, что их оппоненты уже тогда намекали, что за такие огромные деньги они, в принципе, не могли не найти того, что искали. ..

Очень темная материя

«Мусорная ДНК» — это, по сути, гигантский эволюционный шлейф, который тянется за человеком миллионы лет и бережно хранится в кладовых его клеток. Долгое время считалось, что этого шлейфа нет только у вирусов и бактерий, которые столь малы, что еле умещают в себе необходимые для жизни гены, не то, что какие-то «скелеты» из прошлого. Огромный объем этого «мусора» по сравнению с полезной частью давно ставит ученых в тупик, и они даже сравнивают эту непонятную область нашего генома с темной материей во Вселенной, которая составляет ее гигантскую часть, но до сих пор скрыта от человека.

Впрочем, уже есть технологии, которые позволяют эту самую «мусорную ДНК» пощупать. Оказалось, что она состоит из весьма не похожих друг на друга частей. Например, из древних ретровирусов, которые когда-то свирепствовали на Земле, а потом по неизвестной причине перестали размножаться и застыли в нашем геноме, как след от каблука в бетоне. Еще есть не работающие лишние копии генов, которые отвечали за что-то тысячи лет назад. Еще есть спящие гены, которые отвечают, к примеру, за способность отбрасывать хвост, и так далее.

— Все знают, что ДНК является носителем генетической информации человека и других организмов,— говорит Дмитрий Штокало из Института систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, который занимается изучением «мусорной» части ДНК.— Код последовательности ДНК определяет, что человек является человеком, мышь — мышью, а муха — мухой. Но как все это работает, ученым до сих пор неясно: сегодня известен механизм работы примерно 3-8 процентов генома, а функция остальных покрыта мраком, так что часть ученых относит ее к бесполезному «мусору». Правда, оппоненты этой теории говорят, что если сравнивать мышь и человека, то окажется, что те самые функциональные 3-8 процентов у нас почти одинаковы. Напрашивается вывод, что именно «мусорная ДНК» на самом деле несет в себе какую-то функцию, которая, собственно, и делает человека человеком.

О пользе мусора

Разговоры о том, что гигантский багаж, который человечество тащит за собой в собственных генах, не такое уж пассивное наследие, начались после расшифровки генома в 2003-м. По одной из версий, «мусорная ДНК» вообще двигатель эволюции: ученые посчитали, что если бы эволюция шла постепенно за счет мутаций в функциональной части ДНК, человек так бы и не возник до сих пор — не хватило бы времени. Но, на наше счастье, эволюция шла рывками, которые выводили виды на новые витки развития. Возможно, происходило это именно благодаря «мусорной ДНК», вернее, ее особой части, которую окрестили «прыгучим геномом». Так называют небольшие кусочки генома, которые ведут себя по типу вирусов — могут вырезать себя из одного места хромосомы и переставлять в другое.

В прошлом году биологи из Йельского университета (США) установили, что именно так, к примеру, 100 млн лет назад будущий человек потерял сумку на животе и стал вынашивать детей в утробе: кусок «мусорной ДНК» вытеснил из генома часть, соответствующую сумчатым. Если бы этого не произошло, мы бы, как кенгуру, носили детей в кармашках. По мнению биолога Александра Маркова из Палеонтологического института РАН, вполне может оказаться, что собственно эволюция человека, то есть увеличение мозга, членораздельная речь и вообще «превращение обезьяны в человека», тоже шло под контролем этих подвижных кусочков генома.

Великое раскодирование

Самой крупной попыткой разобраться в генетическом эволюционном «мусоре» стал проект ENCODE, стартовавший в 2003-м с подачи Национального института по изучению генома человека США. В нем приняли участие более 400 ученых из 32 лабораторий США, Великобритании, Японии, Испании и Сингапура. Цель проекта — понять, как работает геном, особенно те его части, которые не производят белок. Прорыв в работе столь солидной группы ученых произошел примерно 5 лет назад, когда появились технологии ускоренного прочтения генома: если в первый раз его читали 14 лет, то теперь ту же работу научились делать за две недели. Участники проекта изучили огромный массив информации и выяснили: так называемая мусорная ДНК содержит некие переключатели, которые сами не работают, но каким-то образом регулируют работу других генов и от них в том числе зависит вероятность возникновения той или иной болезни — от диабета и рака до сердечно-сосудистых или психических расстройств.

Россия в ENCODE не участвовала, но работала в схожих группах, например в «Проекте по исследованию некодирующей РНК» вместе с французами и американцами.

— Мы взяли самые современные технологии прочтения генома человека и поискали те участки, которые, с нашей точки зрения, могли бы исполнять какие-то функции,— рассказывает Дмитрий Штокало.— Чтобы проверить догадку, коллеги на Западе заблокировали эти участки в геноме раковых клеток и у тех включился механизм запрограммированной смерти. А рак, как известно, зачастую возникает именно из-за того, что клетки начинают бесконтрольно делиться и теряют способность к самоуничтожению. Так что в перспективе эти данные можно использовать для создания нового поколения лекарств и диагностики онкологических заболеваний.

Правда, сторонники «мусорной теории», включая оксфордских ученых, уверены: пока не изучен механизм действия этих загадочных участков генома, делать выводы преждевременно. Что мы получим на выходе — суперэффективные генетические лекарства или пустышку,— пока тоже не ясно. Как известно всем, кто изучает древности, шансы обнаружить мусор и шансы набрести на сокровища — примерно равны.

Генетические заболевания, возможно, будут лечить, активируя спящие гены

  • Главная
  • Новости науки

 

Исследователи обнаружили лекарство, позволяющее включить спящую отцовскую копию гена взамен сломавшейся материнской.

Наш геном складывается из двух копий — отцовского и материнского набора хромосом. Каждый ген имеет своего двойника; оба могут выполнять одну функцию, но делают это по-разному. Очень часто случается, что одна из копий засыпает, а всю работу выполняет другая. Это нормально: например, у нас работает только материнская копия гена UBE3A, расположенного на 15-й хромосоме. Белок, кодируемый этим геном, принимает участие в развитии нервной системы и регулирует деградацию ненужных белков. Если же этот ген по какой-то причине не работает, у человека развивается генетическое неврологическое заболевание, называемое синдромом Ангельмана. Для него характерны и задержка в развитии, и неконтролируемые резкие, хаотические движения, и приступы смеха. Недуг не такой уж редкий, встречается у одного человека из 15 тысяч.

Итак, при синдроме Ангельмана ситуация такова: отцовская копия гена, как ей и полагается, находится в спящем состоянии, а материнская, которая в норме должна работать, сломана. Решение проблемы кажется очевидным: нужно «разбудить» отцовскую копию гена. Но это проще сказать, чем сделать. Исследователи из Университета Северной Каролины (США) перебрали около 2 300 разных соединений в надежде, что какое-нибудь из них сможет включить отцовскую копию UBE3A. В конце концов они попробовали ингибитор топоизомеразы I, известный противораковый препарат. Топоизомераза представляет собой фермент, помогающий клетке удваивать генетический материал; без неё невозможна репликация ДНК и размножение. Ингибиторы топоизомеразы делают так, что фермент остаётся постоянно связанным с ДНК, в итоге раковая клетка не может размножаться. Кроме того, ДНК часто не выдерживает столь тесных «объятий» фермента и начинает рваться.

Оказалось, что ингибитор топоизомеразы обладает ещё и генно-терапевтическими свойствами. В статье, опубликованной в журнале Nature, авторы пишут, что этот медикамент пробуждал от спячки отцовскую копию гена UBE3A. Причём эффект длился целых 12 недель после введения мышам этого ингибитора. Как противораковый препарат активирует ген? Исследователи полагают, что ингибитор топоизомеразы выключает синтез антисмысловой РНК, которая связывается с мРНК, синтезируемой на гене UBE3A, и подавляет синтез белка на ней. Так или иначе, белок Ube3a начинал синтезироваться во всех важнейших участках центральной нервной системы, включая гиппокамп, мозжечок, кору полушарий и спинной мозг.

Необходимо подчеркнуть, что все эти данные относятся к нервным клеткам, и исследователи пока не знают, как подействует ингибитор топоизомеразы на другие типы здоровых клеток. С другой стороны, хотя препарат давно используется в химиотерапии, будет ли он лечить у человека ещё и нервную систему, сказать заранее невозможно.

Сейчас всё лечение больных синдромом Ангельмана сводится лишь к облегчению симптомов, а ингибитор топоизомеразы позволяет надеяться на то, что можно будет устранить саму причину болезни. И, пожалуй, самым главным результатом можно назвать то, что исследователи показали реальность такого способа терапии, когда на замену неработающему гену встаёт его копия из нашего же генома. Таким образом можно лечить самые разные генетические заболевания, не прибегая к редактированию человеческой ДНК.

Подготовлено по материалам Университета Северной Каролины.

Источник: Компьюлента

Человеческая способность впадать в спячку может быть скрыта в генетическом коде

Это делают медведи. Как и сурки, белки, черепахи и многие другие животные. Однако люди не могут впадать в спячку — по крайней мере, сейчас.

Но ученые, изучающие генетические основы зимней спячки у животных, думают, что они могут разблокировать ту же самую биологическую сверхспособность у людей. Этот подвиг может трансформировать медицинскую помощь как во время обычных операций, так и при тяжелых неотложных состояниях, когда пациенты не могут немедленно получить доступ к жизненно важному лечению. Это также может позволить астронавтам отложить свой путь в длительных миссиях на Марс и в другие пункты назначения в глубоком космосе.

Ученые считают, что способность впадать в спячку возникла у первых предков млекопитающих — мохнатых древесных существ, которые жили 65 миллионов лет назад и в конечном итоге дали начало большинству современных млекопитающих, включая человека. Если они правы, ключи к гибернации могут быть скрыты в геноме человека.

«Это звучит как научная фантастика, но в этом есть абсолютная биологическая правда, и мы использовали все виды сравнительной геномики и другие инструменты, чтобы понять универсальность», — говорит Энн Йодер, биолог из Университета Дьюка, изучающая гибернацию. «Практически все в этой области согласны с тем, что это наследственная способность млекопитающих, которую большинство млекопитающих утратили или просто не используют».

Основы гибернации

Спящий режим — это гораздо больше, чем продолжительный сон. Это приводит к резким изменениям в обмене веществ, в том числе к падению температуры тела и снижению частоты сердечных сокращений и дыхания. Некоторые теплокровные животные проводят недели, в течение которых температура их тела падает с примерно 37 градусов по Цельсию до всего лишь 3 градусов по Цельсию, их сердце бьется всего несколько раз в минуту, а потребление энергии телом резко падает.

Ученых особенно интересуют механизмы, позволяющие входящим в спячку животным возвращаться к полной активности вскоре после пробуждения и избегать проблем со здоровьем, которые возникают у людей после нескольких недель пребывания в постели. К ним относятся потеря костной массы, сердечно-сосудистые проблемы и истощение мышц.

«Приложения, которые мы рассматриваем, основаны на нашем понимании того, что эти животные должны делать, чтобы пережить спячку в течение года», — говорит Эшли Цендер, генеральный директор Fauna Bio, стартапа из Сан-Франциско, который работает над разработкой препараты для введения человека в спячку.

По крайней мере с 2002 года врачи отделения неотложной помощи используют защитную силу гибернации, используя пакеты со льдом и охлаждающие одеяла для временного снижения температуры тела пациентов, которые находятся в критическом состоянии в результате сердечного приступа, черепно-мозговой травмы, инсульта. или шок. Снижение температуры тела всего на несколько градусов Цельсия может защитить мозг, в частности, за счет замедления метаболизма, уменьшения отека и задержки гибели клеток головного мозга, которая обычно может происходить из-за недостатка кровотока.

Но цель состоит в том, чтобы заменить этот грубый метод охлаждения, который может вызывать проблемы со свертываемостью крови и мешать иммунным реакциям, на процесс, который работает «естественно, безопасно и обратимо», — говорит Ханна Кэри, профессор сравнительных биологических наук. в Школе ветеринарной медицины Университета Висконсин-Мэдисон. Ее лаборатория работает с Fauna Bio над обменом данными о гибернации в рамках более широкого сотрудничества между стартапом, финансируемым из частных источников, и научным сообществом по гибернации.

Если такое исследование увенчается успехом, Fauna Bio надеется заменить пакеты со льдом лекарством, которое может вводить людей в спячку, напрямую снижая их метаболизм. В результате естественным образом следовало бы более мягкое охлаждение тела.

Расшифровка прошлого гибернации для будущего

Чтобы создать чудо-лекарство от гибернации, исследователи должны сначала выяснить, какие группы генов активируются в процессе гибернации. Вот почему Fauna Bio обращается ко многим независимым группам по исследованию зимней спячки, чтобы объединить коллекции биологических тканей разных животных, впадающих в спячку, с новыми базами данных секвенированных геномов.

Например, Кэти Грабек, соучредитель и руководитель отдела корпоративного управления Fauna Bio, разработала анализ секвенирования генома генома суслика с 13 линиями. Таких сусликов, как правило, гораздо легче изучать, чем других животных, впадающих в спячку, таких как находящиеся под угрозой исчезновения лемуры и потенциально опасные медведи, хотя некоторые упрямые исследователи зимней спячки тоже изучают этих животных.

Все эти разные животные не обязательно имеют специальные гены, уникальные для каждого вида, говорит Уилл Исраэльсен, научный сотрудник в области биохимии в Юго-западном медицинском центре Техасского университета в Далласе, штат Техас, который изучает спячку у прыгающих мышей. Вместо этого у гибернаторов, вероятно, есть все те же гены, связанные со спячкой, но каждый вид использует их немного по-разному. «Если мы сможем выяснить, как они регулируют свою биологию, мы сможем манипулировать этим у людей на благо медицины», — говорит Исраэльсен.

Конечно, медицинские льготы на Земле также могут быть переведены на медицинские льготы в космосе. SpaceWorks, аэрокосмическая инженерная фирма из Атланты, использует финансирование НАСА для изучения того, как спящий режим может защитить астронавтов от радиационного поражения, потери костей и мышц и других проблем со здоровьем во время шестимесячных космических миссий на Марс. Компания составляет техническое руководство по погружению будущих астронавтов в спячку на основе текущих медицинских процедур скорой помощи.

Даже подход современной медицины к «целевому управлению температурой», который не соответствует полной гибернации, все же может защитить астронавтов и сделать будущие космические миссии более доступными и выполнимыми, говорит Дуг Толк, акушер и ведущий медицинский консультант SpaceWorks Enterprises. Перевод большей части экипажа в состояние с низким метаболизмом по сменам может устранить большую часть массы космического корабля, обычно предназначенную для хранения продуктов питания или увеличения жилого пространства.

Такой космический корабль мог бы обойтись даже меньшей радиационной защитой, если бы ее было достаточно для защиты спального отсека экипажа. Вся эта экономия массы космического корабля имеет огромное значение в то время, когда запуск чего-либо в космос все еще может стоить около 10 000 долларов за фунт. «Это медицинское решение инженерной проблемы», — говорит Толк.

Истинное пробуждение способности к гибернации у людей по-прежнему зависит от того, насколько верна теория предков млекопитающих. Но если спящие астронавты когда-нибудь проснутся и обнаружат, что готовы выйти на орбиту Марса, они смогут воздать должное биологической сверхспособности, которая создавалась миллионы лет.

Хотите больше историй о биологии?

  • Ученые подсчитали скорость смерти в клетках, и она на удивление медленная
  • Таинственный ген, помогающий слонам бороться с раком И ИНСТАГРАМ.

    В человеческой ДНК находится нетронутый древний вирус : ScienceAlert

    Исследования показали, что в нашей ДНК живут призраки вирусов, от которых отбились ваши предки, и некоторые из этих вирусов все еще могут быть опасными, если проснутся. И теперь ученые только что нашли больше из них.

    Изучив 2 500 геномов человека, команда обнаружила доказательства существования 36 различных вирусов, которые накопились в них в ходе нашей эволюции, в том числе 19 никогда ранее не обнаруживавшихся, и один, который все еще может быть заразным, если его включить.

    Так как же вирусная ДНК вообще попадает в наши клетки? Чтобы размножаться, вирусы должны использовать вашу собственную ДНК против вас. Они начинают с того, что проникают внутрь ваших клеток и вставляют свои гены между вашими. Таким образом, когда ваши клетки делают копии своей ДНК — как они это делают, когда собираются размножаться — они также делают копии генов вируса.

    Затем гены вируса включаются, как только они попадают в новую клетку, и превращают ее в фабрику по производству вирусов. Эти новые вирусы переносят свои гены в другие клетки, и процесс повторяется.

    В конце концов (будем надеяться) ваше тело борется с вирусами, которые летают вокруг и заражают новые клетки, но оно не может избавиться от частиц вируса, которые уже застряли в вашей ДНК. Так что он делает следующую лучшую вещь и отключает эти фрагменты ДНК.

    Но когда их выключают, сегменты вирусной ДНК никуда не денутся; они просто застряли в середине вашего генома, копируясь каждый раз, когда ваши клетки делятся. Это означает, что если некоторые клетки с измененным геномом передаются вашему ребенку, то гены вируса передаются из поколения в поколение — отключаются, но все еще потенциально заразны.

    Эти кусочки ДНК ничего не делают, поэтому в них могут накапливаться мутации, не оказывающие реального влияния на работу вашего тела, и в конечном итоге все эти мутации делают ДНК неспособной снова включиться и создать инфекционный вирус , даже если бы захотелось.

    Но мутации или отсутствие мутаций, это фрагменты ДНК, которых люди не имели в ходе эволюции, поэтому они все еще могут вызывать другие проблемы. Например, части вирусной ДНК могут активироваться и способствовать возникновению заболеваний, или же они могут просто нарушать нормальное функционирование отдельных клеток.

    В своем новом исследовании группа под руководством Джеффри Кидда из Мичиганского университета и Джона Коффина из Университета Тафтса обнаружила 18 таких мутантов, которых раньше никогда не видели. Некоторые из них были довольно редкими, появляясь лишь в паре из 2500 исследованных геномов. Но другие были широко распространены, появляясь более чем в 75% случаев.

    Интересно, что исследователи также обнаружили один вирус, который был более интактным. Это происходит, когда инфекция произошла достаточно недавно — или, случайно, фрагменты ДНК не сильно мутировали с тех пор, как это произошло, — и это означает, что бездействующая ДНК все еще может производить инфекционный вирус, если ее снова включить.

    По состоянию на прошлый год был обнаружен только один такой известный протовирус. Теперь мы знаем о двух.