«Раздутый штат»: зачем генам столько руководителей

Для очень важных генов в геноме припасено сразу несколько регуляторов – на случай непредвиденных ситуаций.

Наши гены работают с разной активностью, иногда слабее, иногда сильнее, в зависимости от условий среды и внутренних потребностей клетки. Но сами себя гены регулировать не могут, и поэтому в ДНК есть еще специальные регуляторные участки – особые последовательности нуклеотидов, которые не кодируют никаких белков, но влияют на активность генов. Такие регуляторные участки бывают разных видов, и достаточно большая их группа получила название энхансеров («усилителей»).

Однако не стоит думать, что одному гену соответствует один регулятор-энхансер. Биологи уже давно выяснили, что очень часто один и тот же ген подчиняется нескольким энхансерам. Но почему их много? Можно предположить, что мы имеем дело просто с избытком регуляторных элементов, которые копируют функции друг друга – но так ли оно на самом деле?

Все выглядит загадочно еще и потому, что энхансеры нередко оказываются исключительно консервативны с точки зрения эволюции: то есть один и тот же энхансер будет почти одинаковым у человека и у мыши, и таких у нас с мышами можно насчитать несколько сотен. Это значит, что они оставались неизменным почти 80 млн лет, с тех пор, как по Земле ходил общий предок приматов и грызунов. А если какой-то участок в ДНК остается так долго неизменным, то он, следовательно, крайне важен. Получается парадоксальная ситуация – абсолютно необходимый избыток регуляции: если взять и отключить один из якобы избыточных элементов, последствия для организма должны быть катастрофическими.

Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли вместе с коллегами из других научных центров именно так и поступили: по очереди выключали у мышей четыре очень консервативных энхансера, контролирующих развитие мозга. На мышах, однако, это никак не сказалось – по крайней мере, внешне животные выглядели вполне здоровыми. Но, может быть, изменения у мышей на самом деле были, просто их трудно заметить? И, возможно, чтобы увидеть значительные изменения, нужно отключать энхансеры не поштучно, а пачками?

В следующем эксперименте в качестве мишени выбрали четыре энхансера, регулирующих активность гена Arx – про него известно, что он необходим как мышам, так и людям для нормального развития мозга и половой системы. Энхансеры удаляли и поодиночке, и попарно, но, как говорится в статье в Cell, мыши опять получились вполне нормальными, здоровыми и плодовитыми. Тем не менее, когда мозг животных рассмотрели более детально, то нашли явные изменения: при поштучном выключении регуляторных элементов в одном случае у мышей появлялись дефекты в гиппокампе, в другом случае у них оказывалось сравнительно мало нейронов, использующих в качестве нейромедиатора ацетилхолин.

Очевидно, и то, и другое должно было бы сказаться на поведении животных (гиппокамп, как мы знаем, один из главных центров памяти). Кстати говоря, такие же изменения в мозге обнаруживают у людей с деменцией и эпилептическими расстройствами. Лабораторные мыши оставались внешне нормальными – однако лаборатория есть лаборатория, и, скорее всего, дефекты в развитии сыграли бы свою роль, если бы животные жили на воле.

Кроме очень консервативных, то есть очень похожих, энхансеров у нас с мышами около ста тысяч не очень консервативных, которые выполняют одинаковые функции, контролируют одинаковые гены, но при этом заметно отличаются друг от друга. В другой серии экспериментов исследователи занимались как раз такими, не очень консервативными регуляторными элементами. У мышей вырезали из ДНК по одному из десяти энхансеров, которым подчиняются гены, управляющие развитием конечностей. И опять-таки мыши оказались без видимых дефектов.

Но потом авторы работы обратили внимание на пару регуляторных элементов, которые во время формирования конечностей были активны в одно и то же время – и когда эту пару выключили сразу, дефекты не замедлили проявиться: у животных стали появляться лишние пальцы и изменилась длина костей. То есть оба энхансера явно копировали друг друга в работе.

В статье в Nature говорится, что регуляторная избыточность – обычное свойство генома, по крайней мере, у млекопитающих: гены, которые контролируют особо важные эпизоды эмбрионального развития, снабжены пятью и более регуляторами-энхансерами, которые работают в одно и то же время и в одном и том же месте. При всем при том анализ последовательностей показывает, что такие энхансеры более или менее консервативны, то есть изменения в них не приветствуются, и каждый из них должен работать, как работал всегда.

На самом деле то, что регуляция генов избыточна, не совсем новость. Но сейчас эту избыточность удалось показать в явном виде на примере энхансеров, участвующих в совершенно разных процессах. И одновременно удалось продемонстрировать, что регуляторные элементы вовсе не копируют друг друга один в один.

С одной стороны, каждый из них работает как запасной игрок: если кто-то выйдет из строя из-за мутации, его работу начнет выполнять второй, третий, четвертый и т. д.; чем важнее задача, которую выполняет ген, тем сильнее у него «страховка». С другой стороны, как было показано в экспериментах с «мозговыми» энхансерами, их функции перекрываются не полностью. Условия, в которых живем и мы, и мыши, и вообще все животные, чрезвычайно разнообразны, и дополнительные генетические регуляторы становятся важны именно в очень широком контексте, с огромным числом действующих факторов, которые не всегда можно учесть в экспериментальных условиях. 

С практической же точки зрения стоит сказать, что чем больше мы узнаем об избыточных энхансерах, тем лучше станем понимать, как бороться с разнообразными тяжелыми заболеваниями, которые, как мы знаем, тоже зависят от множества условий.