Половина нашего генома умеет прыгать — и это не поломка

Геном принято представлять как текст, который передаётся почти без изменений: случайная опечатка тут, перетасовка родительских копий там. Но почти половина человеческой ДНК ведёт себя иначе. Эти куски умеют вырезаться из одного места и встраиваться в другое, размножаться внутри генома и разрастаться, раздувая его изнутри.

Называются они транспозонами, или прыгающими генами. Долгое время их считали либо паразитами, либо мусором. Свежий обзор в Nature Reviews Genetics собирает доводы за третье прочтение: хозяин и транспозон — давние партнёры, а не жилец и квартирант.

Пёстрые зёрна, которым не верили

Первой их увидела Барбара МакКлинток в сороковых, разглядывая початки кукурузы. У её линии зёрна должны были быть ровно-фиолетовыми, но часть выходила крапчатой: пигмент лежал пятнами по жёлтому фону.

Объяснение оказалось таким, что генетики того времени приняли его в штыки. МакКлинток описала элементы, которые прыгают по хромосомам. Попал такой элемент в середину гена пигмента — ген перестал работать, клетка вышла жёлтой. Выпрыгнул обратно — ген восстановился, клетка снова фиолетовая. Крапчатость зерна оказалась записью этих прыжков.

Идею признали не сразу: Нобелевскую премию она получила в 1983 году, спустя почти четыре десятилетия.

Два способа перемещаться

Транспозоны делятся на две большие группы, и различаются они способом переезда.

ДНК-транспозоны работают вырезанием. Фермент-транспозаза садится на концы элемента и выщепляет его из хромосомы, а дальше клеточные системы починки ДНК вклеивают его на новом месте. Число копий при этом не растёт: элемент просто переезжает.

Ретротранспозоны идут кружным путём. Их последовательность сначала переписывается в РНК, та отправляется в путь, а на новом месте обратная транскрипция снова превращает её в ДНК. Оригинал при этом остаётся на старом месте. Каждый такой цикл добавляет копию, и за миллионы лет копии накапливаются — именно они и занимают почти половину нашего генома.

Родство с вирусами здесь не метафора. Ретровирусы делают то же самое: вставляют копию своей РНК в ДНК хозяйской клетки. Следы древних заражений так и остались в геноме — по оценкам, около восьми процентов нашей ДНК имеет вирусное происхождение.

Бабочка, которую учили в школе неполно

Берёзовая пяденица — хрестоматийный пример отбора. Двести лет назад бабочки были светлыми и терялись на светлой коре, потом фабрики закоптили деревья, и тёмная форма стала преобладать: светлых на чёрном стволе быстро склёвывали птицы.

Эту историю рассказывают в учебниках, но её молекулярную причину нашли только в 2016 году. Прочитав сотни геномов пядениц, генетики увидели: у тёмных бабочек в начале гена cortex, участвующего в развитии крыла, сидит транспозон, которого у светлых нет. Как именно его вставка меняет окраску, до конца не ясно, но сама тёмная форма началась с прыжка.

Они переходят и между видами

Способность перемещаться внутри генома означает и возможность перемещаться между геномами: транспозон может доехать до чужого вида, подсев к вирусу. Сначала это считали экзотикой, потом примеры пошли сотнями. В одной из работ насчитали около тысячи независимых событий такого переноса в трёх сотнях геномов позвоночных, в основном у рыб.

Здесь стоит сказать и обратное. Большинство новых вставок либо безвредны, либо вредны: транспозон, приземлившийся в середину работающего гена, ломает его, и с этим связана часть наследственных болезней. Клетка держит прыгунов под замком — метилированием и специальными белками.

Партнёрство, о котором говорит обзор, видно не в отдельной вставке, а на дистанции в миллионы лет. Из огромного числа прыжков подавляющее большинство отсеивается отбором. Единицы закрепляются и дают новое: регуляторный переключатель, признак, иногда целый орган.

Так что «половина генома — прыгуны» звучит тревожнее, чем есть. Эта половина давно обезврежена и частично приспособлена к делу, а геном, который научился с ними жить, оказался устойчивее того, который пытался бы вычистить их до нуля.