Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Пигмент меланин, придающий темный цвет коже, помогает организму защититься от вредного воздействия УФ. Поэтому среди жителей экваториальных стран преобладает темная кожа, а защитной реакцией на избыток солнечного света является загар – усиленная выработка меланина. Это очень важный защитный механизм, ведь ошибки в ДНК, вызванные УФ, могут приводить к меланоме – злокачественной раковой опухоли кожи. Учитывайте последнее, решая, стоит ли много загорать во время поездки на море или проявить умеренность.
Другой существенный источник повреждения ДНК – ионизирующее излучение. Оно может возникать в результате радиоактивного распада некоторых элементов, а также достигать наших клеток из космоса. Некоторые химические вещества, называемые мутагенами, тоже могут способствовать накоплению ошибок в ДНК. Вещества с подобным эффектом существуют, например, в табачном дыме: у курящих существенно увеличен риск рака легких. Это не значит, что все любители затянуться заболеют раком легких, но шанс получить его в течение жизни у них примерно в 10 раз выше, чем у некурящих (примерно 17 % против 1 % у мужчин и 12 % против 1 % у женщин107). Любопытно, что далеко не все противники ГМО спешат запрещать курение, вред которого доказан, а некоторые даже курят. Возможно, их утешает тот факт, что табак натурален?
Следующий важный источник не столько новых мутаций, сколько генетического разнообразия – рекомбинация. Каждая хромосома присутствует у нас в двух вариантах: одна от папы, другая – от мамы. Две такие хромосомы называются гомологичными – они содержат похожие гены. Каждому из наших потомков мы передадим только одну из таких гомологичных хромосом. В процессе формирования яйцеклеток или сперматозоидов внутри клеток происходит обмен генетической информацией между некоторыми участками гомологичных хромосом – это и есть рекомбинация.
Понять, для чего это нужно, нам поможет вымышленная популяция людей Икс (это не отсылка к комиксам “Марвел", а простое обозначение) с невымышленными генами. В этой популяции есть две категории людей. Некоторые люди кареглазые, другие – голубоглазые из-за мутации в гене Herd, что ценится как признак красоты. Увы, в данной вымышленной популяции все голубоглазые страдают некоторым дефектом – у них также испорчен ген IVD, необходимый для утилизации аминокислоты лейцина. Эта мутация никак не влияет на цвет глаз, но негативно сказывается на здоровье и приводит к тому, что от человека пахнет потными ногами. Оба гена, Herc2 и IVD, расположены на 15-й хромосоме. Так как хромосомы наследуются целиком, в популяции людей Икс признак голубых глаз и признак “пахнуть потными ногами" наследуются вместе – это сцепленное наследование, поэтому все голубоглазые среди людей Икс плохо пахнут.
Неужели у людей Икс нет шанса зачать здорового голубоглазого ребенка, от которого не будет пахнуть потными ногами? Вот тут на помощь и приходит рекомбинация гомологичных хромосом. Одному мальчику досталась 15-я хромосома от голубоглазого папы и 15-я хромосома от кареглазой мамы. Сам он оказался кареглазым и здоровым, потому что голубоглазость и плохой запах – признаки рецессивные и проявляются только при наличии двух одинаковых копий генов Herc2 и IVD соответственно. Когда мальчик достиг половой зрелости, при образовании его сперматозоидов могла случиться рекомбинация, в ходе которой фрагмент 15-й хромосомы от отца с вариантом гена Herc2, нужным для голубых глаз, поменялся местами с фрагментом 15-й хромосомы от матери, содержащим обычный вариант этого гена. В итоге получилась новая комбинация аллелей на 15-й хромосоме – с нормальным геном IVD и голубоглазым вариантом гена Herc2.
Сперматозоиду остается найти яйцеклетку, которая будет нести голубоглазый вариант гена Herc2 и любой вариант гена IVD, и на свет появится уникальный для нашей популяции ребенок – с голубыми глазами и не пахнущий потными ногами. Вероятно, он немедленно прославится, станет пользоваться успехом у девушек, и эта новая замечательная комбинация генов быстро распространится в популяции. Для того чтобы никого не обидеть, я подчеркну, что в реальных популяциях упомянутая мутация в гене IVD встречается крайне редко и у меня нет оснований полагать, что она чаще встречается у голубоглазых (не стоит к ним принюхиваться).
Итак, спонтанные мутации и рекомбинации являются важными источниками генетического разнообразия. Без мутаций невозможна эволюция, а без рекомбинации и полового процесса она была бы более медленной. Но этим природа не ограничивается. Однажды я столкнулся с таким некорректным определением ГМО: “организмы, генетический материал которых изменен способом, недостижимым при естественных путях внутривидовых скрещиваний”. При таком определении любой человек тем более является генетически модифицированным. Почти 5 % генома человека – это последовательности эндогенных ретровирусов, которые когда-то очень давно встроились в геном наших предков108. Такое явление называется горизонтальным переносом генов, противопоставляется вертикальному переносу – от предков к потомкам – и является еще одним важным источником генетических изменений живых организмов. Например, ген, кодирующий белок синцитин, необходимый для формирования плаценты человека, достался млекопитающим от ретровирусов, которым он был нужен для создания белковой оболочки109.
Есть еще одна интересная категория генетических последовательностей – транспозоны, открытые лауреатом Нобелевской премии Барбарой Макклинток110. Транспозоны умеют перескакивать с одного участка ДНК на другой и в ряде случаев копировать самих себя, поэтому их еще называют мобильными элементами. Если транспозон встроится внутрь какого-нибудь гена, он может нарушить его функцию. Считается, что большинство транспозонов являются эгоистичными элементами, то есть мусором, не выполняющим никакой важной функции и занимающимся исключительно самосохранением и самораспространением. Однако, по-видимому, мобильные элементы сыграли важнейшую роль в эволюции позвоночных животных.
Согласно современным представлениям, из транспозонов, которые попали в геномы предков позвоночных более 600 миллионов лет назад111–114, появились RAG-белки, отвечающие за создание огромного числа различных генов антител и рецепторов иммунных клеток. Сегодня без RAG-белков немыслим адаптивный (обучающийся) иммунитет человека и других позвоночных, а их появление иногда даже называют “иммунологическим Большим взрывом".
Мы уже обсуждали, что у человека всего около 20–25 тысяч генов. Но при этом наш организм способен производить более миллиона разных антител. Антитела – это особые белки, которые узнают разные антигены – части вирусов, бактерий или других патогенов. Антитела достаточно специфичны, то есть одно антитело будет связывать конкретную часть определенной бактерии, но, скорее всего, не будет связывать ее другую часть или иную бактерию. Разнообразие антител нужно, чтобы находить и обезвреживать множество вариантов разных чужеродных агентов в нашем организме. Как, имея всего 25 тысяч генов, получить миллион разных антител? Для этого используется еще один тип рекомбинации – V(D)J-рекомбинация115, открытая японским ученым Сусуму Тонегавой. Можно сказать, что это форма генной инженерии, которая происходит внутри предшественников наших иммунных клеток, то есть внутри нас с вами.
В нашем геноме нет готовых генов, кодирующих антитела (иммуноглобулины). Вместо этого в нашей ДНК есть множество повторяющихся участков, которые называются V, D и J-сегменты. В ходе рекомбинации (в которой центральную роль и играет белок RAG1) один из множества V-сегментов, один из множества D-сегментов и один из множества J-сегментов сшиваются вместе с еще одним сегментом – C.
Представьте, что у вас есть 65 прилагательных, 27 существительных и 6 глаголов: вы можете составить из них 10530 разных предложений вида “плохой микроб застрелился", “противная бактерия утопилась” или “злой вирус повесился". Столько V(D)J комбинаций существует для тяжелой цепи иммуноглобулина человека. Похожим образом получается несколько сотен вариантов для легкой цепи, в которой есть V и J-сегменты, но отсутствует D-сегмент. Иммуноглобулины состоят из легких и тяжелых цепей, поэтому количество возможных комбинаций этих элементов нужно перемножить. Получается, что уже на этом этапе возможны миллионы вариантов иммуноглобулинов.
Генетическое разнообразие иммунных клеток – лимфоцитов – увеличивается благодаря еще одному механизму. Если лимфоцит столкнулся с антигеном, например с молекулой на поверхности бактерии, и распознал его, он начинает активно делиться. Одновременно запускаются клеточные процессы, приводящие к появлению новых мутаций в генах иммуноглобулинов116. Это способствует эволюции лимфоцитов: если мутации приводят к более прочной связи с антигеном, лимфоциты делятся активнее и их становится больше, если мутация приводит к тому, что антиген связывается хуже, – темпы деления замедляются. Размножаются самые удачливые, и в итоге иммунная система обогащается лимфоцитами, хорошо связывающими антиген.
