Навіщо потрібні «непотрібні» гени • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Генетика

Навіщо потрібні «непотрібні» гени

Дріжджова клітина в процесі брунькування. Фото з сайту www.kaeberleinlab.org

Геном дріжджів містить близько 6000 генів, з яких тільки 1000 є абсолютно необхідними для виживання в стандартних лабораторних умовах. Навіщо дріжджів потрібні інші 5000 генів, до сих пір було не зовсім зрозуміло. Провівши більше 6 млн тестів, генетики з США і Канади зробили висновок, що переважна більшість цих нібито «непотрібних» генів виявляються корисними в тих чи інших нестандартних умовах. Зокрема, багато хто з них підвищують стійкість дріжджів до різних отрут.

Щоб дізнатися, навіщо потрібен той чи інший ген, найпростіше зіпсувати його мутацією або зовсім відключити і подивитися, як це відіб'ється на фенотипі (тобто на будові, фізіології або поведінці організму). Саме таким способом генетики часто і з'ясовують функції генів. Можна рухатися і в зворотному напрямку: виявивши змінений (мутантний) фенотип, намагатися з'ясувати, зміни якого гена (або генів) привели до таких наслідків. Раніше генетики практично завжди йшли другим шляхом, а останнім часом, у зв'язку з розвитком генної інженерії та інших сучасних методик, все частіше використовується перший шлях.

При цьому на подив часто виявляється, що той чи інший ген (або не кодують ділянку ДНК) як ніби ні для чого і не потрібен: його видалення не приводить ні до яких видимим наслідків і анітрохи не знижує життєздатність організму.

«Елементи» уже розповідали про декілька таких випадків (див .: Після видалення 15% генів бактерії стають зовсім ручними, «Елементи», 24.05.2006; Видалення найважливіших ділянок геному анітрохи не шкодить здоров'ю мишей, «Елементи», 14.09.2007). Днями була опублікована нова цікава стаття в журналі PNAS з аналогічними результатами. Не маючи можливості написати окрему замітку за цією статтею, розповім тут про неї в двох словах. Виявилося, що відключення гена SREB2, Активно працює в клітинах мозку, не тільки не шкодить здоров'ю мишей, але навіть призводить до невеликого збільшення розміру мозку і покращує пам'ять. Тим часом цей ген є ультраконсервативним: білок, їм кодується, у всіх ссавців абсолютно однаковий – за всю історію класу ссавців в ньому не змінилася ні одна амінокислота. Дрібні зміни в некодуючих ділянках (інтрони) цього гена у людини асоціюються зі схильністю до шизофренії,а невелике збільшення експресії (активності) цього гена у тих же мишей викликало у них серйозні психічні відхилення, що вельми нагадують вищезазначене душевне захворювання. Всі непрямі ознаки, здавалося б, говорять про те, що цей ген повинен бути життєво важливим – проте миші з відключеним геном SREB2 почувають себе чудово і навіть навчаються різним мишачим премудростям швидше своїх немутантів подруг.

Як пояснити такі дивні результати? Невже численні «непотрібні» гени, знайдені в ході подібних експериментів, дійсно зовсім не потрібні їх власникам? Але якщо ген стає непотрібним, то він, по ідеї, повинен швидко виходити з ладу і руйнуватися під дією випадкових мутацій, які не відсіяних відбором. Як тоді пояснити високу консервативність, тобто еволюційну стійкість багатьох з цих генів, що проявляється у високому рівні їх подібності у далеких один від одного видів організмів?

Найбільш очевидний (а в багатьох випадках, напевно, і єдино можливий) відповідь полягає в наступному. Ймовірно, ці гени для чогось все ж потрібні, але не в тепличних умовах наукової лабораторії, а в природі, де живим організмам доводиться мати справу з нескінченно різноманітними, часом різко мінливими і малопередбачувані факторами середовища.Цілком логічно припустити, що чим постояннее і передбачувані умови проживання, тим сильніше може спроститися генетична «програма» поведінки клітини (або багатоклітинного організму). Саме цим пояснюють, наприклад, радикальне скорочення геномів у внутрішньоклітинних симбіотичних бактерій (див .: Прочитаний самий маленький геном, «Елементи», 16.10.2006). Умови, в яких живуть і піддаються вивченню лабораторні організми, зазвичай гранично стандартизовані (стандартні середовища, корми, клітки, освітленість і т. Д.), Що робить їх існування – з еволюційної точки зору – мало відрізняється від життя внутрішньоклітинних паразитів.

Це теоретичне міркування, однак, потребує експериментальної перевірки. Саме таке завдання і поставили перед собою генетики з США і Канади, які опублікували результати своїх досліджень в останньому номері журналу Science. Автори вивчали «непотрібні гени» класичного лабораторного об'єкта – гриба Saccharomyces cerevisiae (Це всім відомі дріжджі). У дріжджів можна видалити або відключити до 65% генів без всякого зниження життєздатності. Правда, з одним маленьким уточненням: мова йде про життєздатність в стандартних «багатих» лабораторних середовищах, насичених всіма необхідними речовинами.

Автори використовували наявні колекції дріжджів-мутантів, де кожен штам містить одну делецию (один віддалений ген) в гомозиготному або в гетерозиготному стані (тобто віддалені або обидві копії даного гена, або тільки одна). Дріжджі можуть розмножуватися як статевим шляхом, так і безстатевим (брунькуванням), причому спосіб розмноження залежить від умов середовища. Тому гетерозиготні штами можна довго розмножувати безстатевим шляхом, не побоюючись, що вони перестануть бути чисто гетерозиготних.

Використані колекції включають близько 6000 гетерозиготних штамів – саме стільки генів міститься в геномі дріжджів. Для кожного гена, таким чином, є штам, на одній з хромосом якого цей ген був знищений. Число гомозиготних штамів, тобто таких, у яких той чи інший ген видалений на обох хромосомах, дещо менше – близько 5000. Їх на тисячу менше, ніж гетерозиготних штамів, тому що саме стільки генів – 1000 – є «життєво необхідними». Їх видалення на обох хромосомах смертельно для дріжджів навіть при вирощуванні в багатому середовищі.

Кожен з цих штамів тестувався в різноманітних нестандартних умовах.У середу додавали всілякі хімічні речовини, в тому числі ліки, що пригнічують ріст мікроорганізмів, або видаляли з середовища якісь важливі компоненти (наприклад, амінокислоти або вітаміни). Кожен гетерозиготний штам було випробувано в 726 різних середовищах, кожен гомозиготний – в 418.

Вчені зробили воістину титанічну роботу: загальна кількість виконаних тестів перевищило 6 мільйонів! У кожному з тестів зростання дріжджів в нестандартному середовищі порівнювався з ростом того ж штаму в «звичайних» лабораторних умовах.

Раніше було відомо, що гомозиготні делеції 19% генів є летальними (це та сама «життєво необхідна тисяча»); ще 15% генів підвищують життєздатність в стандартній багатому середовищі (іншими словами, їх делеция в гомозиготному стані знижує життєздатність). Залишалося ще 66% генів, незрозуміло навіщо потрібних.

Дослідники виявили, що переважна більшість цих «непотрібних» генів виявляються корисними (тобто підвищують життєздатність дріжджів) хоча б в одній з протестованих середовищ. Тільки 205 генів (3% від загального числа) так і не розкрили свого секрету: серед випробуваних варіантів умов не знайшлося такого, в якому наявність цих генів виявилося б корисним.Значна частина генів, як з'ясувалося, підвищує стійкість дріжджів до впливу різних отрут, у тому числі всіляких ліків, що застосовуються для боротьби з патогенними мікроорганізмами. Автори звернули особливу увагу на ці гени, виділивши серед них велику групу багатофункціональних генів, які забезпечують дріжджів захист відразу від багатьох видів отруйних речовин. Подальше вивчення цих генів допоможе краще зрозуміти механізми стійкості мікроорганізмів до лікарських препаратів.

Цікава ситуація склалася з транскрипційними факторами (ТФ) – білками, які регулюють активність генів в залежності від тих чи інших зовнішніх факторів або сигналів. У геномі дріжджів є близько 160 генів ТФ, однак лише 5 з них є життєво необхідними при зростанні в стандартних «ідеальних» умовах. Практично всі ТФ виявилися корисними в тих чи інших нестандартних умовах, а 16 з них увійшли в число багатофункціональних «захисників», що підвищують стійкість дріжджів відразу до багатьох отруйних речовин. Транкріпціонние фактори складають основу системи реагування клітинина зовнішні стимули – разом з іншими сигнальними і регуляторними білками їх можна уподібнити органам почуттів і нервовій системі багатоклітинних тварин. Чим менше транскрипційних факторів, тим «дурніші» клітина. Цілком природно, що в ідеальних тепличних умовах складні системи реагування стають непотрібними – на цьому принципі заснована і швидка редукція генів ТФ у внутрішньоклітинних симбіотичних бактерій, і закономірне зменшення розмірів мозку і зниження розумових здібностей у домашніх тварин в порівнянні з їх дикими предками.

Дослідження, таким чином, повністю підтвердило теоретичні очікування, засновані на класичному дарвинистской принципі: «якщо ген існує, значить він чогось потрібен». Число нібито «непотрібних» генів в геномі дріжджів тепер скоротилося з 66% до 3%, та й ці залишилися гени з невідомою функцією, швидше за все, теж для чогось потрібні дріжджів в природних умовах. Ті ж з них, які дійсно стали непотрібними, можуть перебувати в тій чи іншій стадії деградації. Автори відзначають, що більше третини з цих 205 генів, мабуть, вже не функціонують, тобто не кодують білків і не експресуються.

джерело: Maureen E. Hillenmeyer et al.The Chemical Genomic Portrait of Yeast: Uncovering a Phenotype for All Genes // Science. 2008. V. 320. P. 362-365.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: