Новости об удивительной сложности ДНК

Автор: Алекс Вильямс (агл. Alex Williams)
Источник: creation.com 
Перевод: Елена Бондаренко 
Редактура: Владимир Силенок, Катерина Савченко

Недавно мы сообщали о новых удивительных открытиях, касающихся сложности информационного содержания, хранящегося  в молекуле ДНК.^[1] Примечательно, что 97% человеческой ДНК, не кодирующей белок, не является «мусорной ДНК», оставшейся от нашего эволюционного прошлого, как считали ранее, но практически полностью активно и постоянно используется в наших клетках.

А вот еще несколько интересных деталей из ведущего отчета ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements, или Энциклопедия элементов ДНК).^[2] Чтобы помочь вам понять дальнейшую информацию, ДНК — очень стабильная молекула, идеально подходящая для хранения информации. Напротив, РНК — очень активная (и нестабильная) молекула, которая выполняет множество работ в наших клетках. Чтобы использовать информацию, хранящуюся в нашей ДНК, наши клетки копируют информацию на транскрипты РНК, которые затем выполняют работу в соответствии с инструкцией этой информации.

•  Обычные гены типа «бусины на нитке» действительно формируют основу генетического кода, продуцирующего белок, даже несмотря на то, что сейчас была обнаружена гораздо большая сложность генетического устройства. Гены, обнаруженные в проекте ENCODE, отличаются от существующего каталога известных генов, кодирующих белок, только примерно на 2%.

• Ранее мы уже сообщали, что транскрипты перекрывают собой участки генов, но эти перекрытия огромны по сравнению с размером генов. В среднем транскрипты в 10-50 раз превышают размер участка гена, перекрывая его с обеих сторон. И до 20% транскриптов имеют размер, более чем в 100 раз превышающий размер участка гена. Это, как если бы вы делали ксерокопию страницы в книге, и должны были бы скопировать информацию с 10, 50 или даже 100 других страниц, чтобы использовать информацию на одной этой странице.

•  Нетранслируемые области (НТО; англ. untranslated regions, UTR) которые теперь называют именно так, а не «мусорная ДНК», гораздо более важны, чем транслируемые области (гены), если судить по количеству азотистых  оснований ДНК, копирующихся в транскрипты РНК. Области генов транскрибируются в среднем пятью различными способами с перекрытиями и чередованиями, тогда как НТО транскрибируются в среднем семью различными способами с перекрытиями и чередованиями. Поскольку в НТО примерно в 33 раза больше азотистых оснований, чем в областях генов, это делает «мусор» примерно в 50 раз более активным, чем гены.

• Активность транскрипции лучше всего предсказать с помощью одного фактора — способа упаковки ДНК в хромосомы. ДНК наматывается на белковые глобулы, называемые гистонами, затем снова скручивается в структуру, похожую на верёвку, а далее в два этапа закручивается в суперспираль вокруг белкового каркаса, чтобы образовать плотные хромосомы, которые мы видим под микроскопом. Это говорит о том, что информация ДНК обычно существует в форме, подобной закрытой книге — вся эта намотка не позволяет закодированной информации войти в контакт с механизмами трансляции. Когда клетке нужна какая-то информация, она открывает определенную страницу, «копирует» информацию, а затем снова закрывает книгу. Другая недавняя работа^[3] показывает, что физически это происходит следующим образом:                      
•  В каждой клетке хромосомы хранятся в ядре, окружённом двойной мембраной.  В ядерной мембране имеется около 2000 пор, через которые молекулы могут проходить из ядра в цитоплазму и в обратном направлении. Нужная хромосома подводится к одной из этих ядерных пор.
• Транскрибируемый участок ДНК помещается перед порой.
• Суперспираль разматывается, чтобы открыть область транскрипции.
• Гистоновые витки при этом скручены так, чтобы открыть требуемый участок  для копирования.
• Двойная спираль ДНК расплетается, чтобы открыть закодированную информацию.
• ДНК захватывается в петлю ферментами, выполняющими копирование, и эта петля копируется в транскрипт РНК. Затем транскрипт проверяется на точность (и, если имеются ошибки, он разбирается и перерабатывается). Затем транскрипт РНК специально маркируется для экспорта из ядра, транспортируется через поры и переносится туда, где это необходимо в клетке.
• Затем «книга» генетической информации ДНК закрывается с помощью обратных процессов свертывания и перемещения хромосомы от области ядерной поры.

• Наиболее неожиданный результат, по мнению авторов ENCODE, заключается в том, что 95% функциональных транскриптов (генных и НТО-транскриптов как минимум с одной известной функцией) не демонстрируют никаких признаков давления отбора (т.е. они не являются заметно консервативными и мутируют со средней скоростью). Это противоречит теории Чарльза Дарвина о том, что естественный отбор является основной причиной нашей эволюции. Это также создает интересный парадокс: клеточная архитектура, механизмы и метаболические циклы — всё в высшей степени консервативно (например, ген человеческого инсулина был внедрен в бактерии для производства человеческого инсулина в промышленных масштабах), в то время как большая часть хромосомной информации свободно мутирует. Как такое положение дел могло сохраняться в течение предполагаемых 3,8 миллиардов лет с момента появления бактерий? Ответом получше может быть то, что возраст жизни всего тысячи, а не миллиарды лет. Также похоже, что клетки, а не гены, контролируют жизнь — полная противоположность тому, что давно предполагается неодарвинистами.

Ссылки и примечания

1. Алекс Вильямс, Обнаружена изумительная сложность ДНК.
2. Ewan Birney, et. al., Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project, Nature 447: 799-816, 2007.
3. Asifa Akhtar & Susan M. Gasser, The nuclear envelope and transcriptional control, Nature Reviews Genetics 8:507–517, 2007.