Мусорная ДНК влияет на развитие скелета

Число рёбер при формировании скелета зависит от «бессмысленных» участков генома.

Когда биологи только начинали расшифровывать последовательность ДНК, им то и дело попадались фрагменты, в которых не было записано никакой информации.

Как мы знаем, в ДНК с помощью генетического кода зашифрованы все белки, составляющие живой организм; и ещё в геноме есть специальные участки, которые сами ничего не кодируют, но влияют на активность кодирующих последовательностей – грубо говоря, от таких регуляторов зависит, много ли молекул того или иного белка появится в клетке. Но есть, как мы сказали, фрагменты генома, которые ничего не кодируют и ничего не регулируют – их назвали мусорной ДНК, которой оказалось больше, чем «осмысленной» ДНК (и не только у человека, но и многих других видов). И долгое время считалось, что это действительно мусор, накопленный за время эволюции: куски вирусных нуклеиновых кислот, которые вовремя удалось обезвредить, так что они навечно заснули в клеточных хромосомах, сильно мутировавшие гены, ставшие абсолютно бесполезными, и т. д.

Однако в последнее время стали появляться публикации, реабилитирующие мусорную ДНК. В прошлом году мы писали об экспериментах исследователей из Юго-западного медицинского центра Университета Техаса, которые установили, что спящие в геноме вирусные последовательности помогают иммунным клеткам синтезировать антитела. В прошлом же году вышла работа сотрудников Каролинского университета, которые на страницах Nature Communications утверждали, что мусорная ДНК необходима для развития человеческого эмбриона. И вот очередное сообщение о функциональности геномного мусора появилось на днях в Developmental Cell.

Рита Айрес (Rita Aires) и её коллеги из Института Гульбенкяна изучали мышей с нестандартным развитием скелета. Обычно у этих грызунов формируется 13 пар рёбер, но некоторые мутанты получаются с 24 парами – рёбра у них тянутся вдоль хребта прямо до задних ног, и скелет такой мыши напоминает скелет змеи (правда, довольно короткой). Оказалось, что такой странной морфологией животные обязаны мутации, которая отключает ген GDF11.

В норме GDF11 подавляет работу другого гена – OCT4, – который поддерживает активность стволовых клеток и побуждает их превращаться в клетки других типов. То есть из-за GDF11-мутации OCT4 остаётся активен, из-за чего стволовые клетки формируют лишние рёбра. Можно было бы предположить, что у змей GDF11 тоже отключён, но нет – у них он в полном порядке. Само собой возникает предположение, что тут есть ещё какой-то молекулярный «игрок».

Таким «игроком», как читатели могли догадаться, оказалась мусорная ДНК. Ген OCT4, который стимулирует формирование лишних рёбер, почти не отличается у змей, мышей и людей, но в хромосоме он окружён некодирующими (мусорными) участками, которые, впрочем, не вполне мусорные – они тоже играют роль в торможении работы OCT4. У змей некодирующие последовательности, прилегающие к OCT4, не такие, как у других. Когда змеиную некодирующую ДНК пересаживали к мышам в ту же позицию – то есть рядом с OCT4 – то у мышиных эмбрионов появлялись лишние рёбра: ген работал «по-змеиному», а всё из-за так называемой мусорной ДНК, которая продлевала работу OCT4. Вероятно, ген GDF11, с который отключает OCT4, работает в связке с некодирующими фрагментами, и в случае змей эти самые некодирующие фрагменты приобрели такой вид, чтобы не мешать наращивать дополнительные рёбра.

Как видим, некоторые участки мусорной ДНК могут играть весьма важную роль, определяя анатомию и морфологию тела позвоночных. Правда, в данном случае хорошо было бы создать генетически модифицированных змей, у которых некодирующая ДНК была бы так отредактирована, чтобы змея вырастала более короткой. Возможно, такие эксперименты в будущем удастся сделать, но не слишком скоро – сейчас мы практически не умеем манипулировать с зародышами рептилий, которые часть стадий развития проходят, будучи ещё в организме матери, и в отложенном яйце можно найти змеёныша с 26 парами рёбер и уже сформировавшейся головой.

Но не исключено, что похожие опыты удастся сделать с другими животными, у которых есть удлинённые грудные клетки, хвосты или шеи – можно предположить, что некодирующая ДНК рядом с OCT4 способна влиять не только рёбра. Вероятно, чем больше мы будем узнавать о способах регуляции генетической активности, тем больше фрагментов мусорной ДНК будут переходить из раздела генетического мусора в раздел регуляторных последовательностей.

По материалам Science.