Кукуруза «госпожи Мендель»
Генетик Барбара Макклинток изучала кукурузные зерна и была удивлена разнообразием цветов зерен. Когда она анализировала цвет зерен индийской кукурузы, стало понятно, что полученные результаты не коррелируются с открытыми Грегором Менделем законами наследования генов. Она не могла найти этому объяснение. В результате в 1940-х гг. Макклинток открыла «прыгающие» гены – транспозоны. Она перевернула общепринятую в то время концепцию о стабильности нашего генного материала даже до того, как в 1953 г. была открыта двухцепочечная ДНК. Она стала открывателем нестабильности ДНК кукурузы и объяснила это действием «прыгающих» генов, которые повлияли на цвет. Уже в 1944–1945 гг. Макклинток наблюдала явление перемещения генов в клеточных хромосомах, что вызывает мутации и изменение цвета зерен индийской кукурузы. Когда в 1951 г. она докладывала о полученных ею результатах научному сообществу, то столкнулась не только с полным непониманием, но даже с враждебностью и неприятием. Полученные ею результаты были восприняты как ересь. Она опередила время на 50 лет.
В следующие 20 лет «прыгающие» гены или ДНК-транспозоны наблюдали везде, где только возможно, – в дрожжах, бактериях, во всех живых организмах – включая человека, хотя для этого были использованы более сложные процедуры. В наших геномах доминируют ретротранспозоны, в то время как ДНК-транспозоны в геноме человека очень давно оказались инактивированы.
Как это ни странно, но можно даже «видеть» «прыгающие» гены, но только если они воздействуют на гены окраски.
ДНК-транспозоны могут «прыгать» в непосредственной близости от генов окраски и менять их регуляцию, что Макклинток назвала «контроль генов». Другие же исследователи полагали, что изменение цвета обусловлено патогенами. Это тоже верно, вирус действительно вызвал тюльпаноманию (см. главу 8). «Прыжок» может произойти где угодно, но визуально можно выявить лишь изменения в регуляции генов окраски. Редко удается наблюдать невооруженным глазом столь сложные механизмы. Нужно быть таким человеком, как Барбара Макклинток, чтобы понять этот механизм или хотя бы частично в нем разобраться, поскольку он до сих пор полностью не изучен. В 2015 г. на конференциях неоднократно показывали фотографию Макклинток.
Барбара Макклинток открыла эпигенетику – явление, выходящее за рамки генетики, поскольку генетические законы Менделя не объясняют цвет зерен кукурузы. За открытие «прыгающих» генов Макклинток можно было бы назвать «госпожа Мендель», настолько высоко мы должны оценить ее открытие. В настоящее время известно, что эпигенетика основана на химических модификациях ДНК и белков, упаковывающих ДНК, которые затем дерегулируют генную экспрессию. Этот эффект объясняется средовыми изменениями и, как правило, не наследуется. К настоящему времени известны два основных механизма, вызываемые химическими модификациями, такими как присоединение метильных групп к ДНК и изменения в белках гистонов (входящих в состав хроматина) путем ацетилирования. Метилирование промотора, провидчески названное Макклинток «контроль генов», выключает экспрессию гена.
Макклинток не поняли, но самое главное – ее не забыли. Она не получила первую Нобелевскую премию, но внесла весомый вклад в наше представление о контрольных участках в геноме не только кукурузы, но и бактерий. В 1965 г. двое коллег из Парижа – Франсуа Жакоб и Жак Моно были удостоены Нобелевской премии за открытие «модели оперона» в бактериях. Макклинток была по крайней мере их идейным вдохновителем.
Макклинток пришлось пережить горечь разочарования, когда ее научные работы были отвергнуты. Она перестала печататься. Обычно это означает конец карьеры – по крайней мере в науке. Но руководители лаборатории в Колд-Спринг-Харбор Фред Херши, а позднее Джим Уотсон заметили ее достижения и, возможно, предугадали значимость ее исследований. Макклинток получила постоянную лабораторию и работала в ней до конца жизни. Ее офис до самого потолка был завален бумагами. С посетителями лаборатории она была вполне дружелюбна, но не отличалась разговорчивостью. Посетителям приходилось постоянно задавать новые вопросы и поддерживать беседу, в противном случае разговор мог сойти на нет. Макклинток могла практически ничего не говорить, оставаясь при этом дружелюбной, но, когда посетители уходили, она вздыхала с облегчением. В 1983 г. Макклинток получила Нобелевскую премию за «открытие подвижных генетических элементов», открытие «прыгающих» генов. Исследователи начали осознавать значение полученных ею результатов применительно к вирусам и раковым клеткам. Она оказалась третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию, и одним из немногих лауреатов, кому не пришлось ее ни с кем делить – она была удостоена этой премии единолично.
На тот момент ей был 81 год. В интервью Макклинток отметила, что никогда не сидела вместе с кем-нибудь в машине. Она была очень нелюдимым человеком. А может быть, страдала аутизмом? Вскоре после того, как ей исполнилось 90 лет, она умерла. Макклинток жила в небольшом деревянном домике, сохранившемся с тех пор, когда китобои приезжали в Колд-Спринг-Харбор за питьевой водой. Над ее квартирой в Хупер Хаус располагалось несколько гостевых комнат для участников конференций, со спартанской обстановкой, как в монашеских кельях. Я любила там останавливаться, когда приезжала на симпозиумы. В этих небольших комнатах время как будто остановилось, замок в туалетной комнате был сломан, и постояльцам приходилось придерживать дверь ногой изнутри – и так десятилетиями! Обстановка комнат была очень простой. Из некоторых комнат можно было увидеть канадских гусей и залив с чередующими приливами и отливами. По утрам Макклинток проходила в толстых носках через лужайку. Так можно представить себе восхождение гения на Олимп или достижение паломниками святых мест. Интересно отметить, что Макклинток не удалось бы обнаружить «прыгающие» гены в геноме человека – их больше нет, по крайней мере это происходит не так, как с ДНК-транспозонами, «прыгающими» в геноме кукурузы. У растений самые подвижные геномы, а геном кукурузы с цветными зернами – идеальный тому пример. Геном кукурузы по-прежнему таит в себе много неожиданного, поскольку он способен в один миг лишиться трети или половины своих генов. Геном кукурузы такой же крупный, как и геном человека, и на 85% состоит из ДНК-транспозонов, в то время как в геноме человека на долю транспозонов приходится лишь 3%, и все они неактивны. Макклинток проанализировала механизм «вырезать и вставить» транспозонов не только в кукурузе, но и в бактериях при помощи фагов, когда ген быстро «перепрыгивает» туда-сюда из генома фага в геном бактерии, как шарик при игре в пинг-понг. Эти небольшие подвижные фаги называются Mu (мю), поскольку они мю-тируют геном своего хозяина. Использование Mu как более оперативной модели для изучения и понимания подвижных элементов было еще одной гениальной идеей Макклинток.
Не только знаменитая кукуруза, но и неприметный и внешне ничем не примечательный полевой сорняк (резуховидка Таля) был одним из первых выбран для секвенирования целого генома растения, поскольку этот геном состоит лишь из 130 млн пар оснований, что меньше по сравнению с геномом кукурузы или пшеницы. Число «прыгающих» генов и повторов относительно невелико, что упрощает процесс секвенирования. Возможно, небольшая частота «прыжков» объясняет небольшой размер генома, а может быть, это вызвано тем, что культивированием этого растения никто не занимался?
Инструменты, необходимые Mu для «прыжков», напоминают аналогичные инструменты, используемые ретровирусами, особенно интегразу. Фаги Mu всегда интегрируется так же, как ретровирусы, в отличие от других фагов, которые не интегрируются в литической фазе, но Mu это делает. Merck Co использовала интегразу фага Mu в высокоэффективном тесте, направленном на скрининг потенциальных ингибиторов интегразы ВИЧ. Mu является моделью для интеграции ретровирусной ДНК в геном бактерий, замещающей ВИЧ! Я не могла в это поверить! Скорость была одним из важных преимуществ, и это не соотносилось с требованиями техники безопасности, которые действуют в лабораториях. В результате был получен один из самых эффективных клинически значимых ингибиторов интегразы ВИЧ, препарат ралтегравир. В высшей степени удивительное сходство между «прыжками» фагов Mu в бактериях и «прыгающими» генами в кукурузе – и так на всем пути до ретровирусов, таких как ВИЧ, – показывает ошеломляющую степень эволюционного консерватизма: от фага в бактерии к геному кукурузы и к ВИЧ у человека! Для меня это тоже удивительно. Меня восхищают исследователи Merk Co, которым пришла в голову столь интересная идея, приведшая к разработке эффективного препарата. Нет более убедительного сходства между ретровирусом и фагом, ВИЧ и Му, чем это.
Еще одна неожиданность: оказалось, что Mu можно использовать в качестве модели для генной терапии, а именно механизма интеграции чужого гена в зародышевых клетках путем ступенчатого разрыва (шаг с динуклеотидными перекрывающимися концами), который заполняется чужеродным геном. Процессы интеграции фагов Mu и ретровирусов схожи до мельчайших деталей, и их изучали в менее опасных и более оперативных Mu системах.
Практически в то же время, когда Макклинток открыла эпигенетику, у кукурузы был выявлен еще один феномен. В 1956 г. канадский генетик Александр Бринк также отметил совершенно необъяснимое наследование – удивительные узоры окраски кукурузных зерен. Этот процесс, который он назвал «парамутация», занимает более одного поколения и не подчиняется правилам мутаций. Генетика без генов! Этот феномен до сих пор остается незамеченным. Он приводит к наследованию приобретенных качеств, включая способность к обучению, – вопрос, однажды вызвавший политические дискуссии. И опять этот феномен не предусматривает непосредственного генетического изменения генов – в отличие от эпигенетических изменений, они носят долговременный характер и сохраняются на протяжении многих поколений. Сейчас ученые стали вспоминать и анализировать удивительный механизм наследственных изменений, не сопровождающихся мутациями. Это явление получило название «трансгенерационое наследование». У ученых вызвало беспокойство то, что, судя по наблюдениям, у полных мужчин рождаются полные внуки, а у полных женщин – полные внучки. А вот почему – узнаете, если будете читать эту книгу дальше. Открою секрет: наследуемые свойства – специальные регуляторы, называемые пивиРНК, передаваемые через сперму! Это перспектива на будущее, и этот вопрос мы обсудим в следующей главе и в конце книги.
Перед лекционным залом в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в память Макклинток установлена небольшая стеклянная витрина, которая отражает ее минималистичный образ жизни – почти нищета: пара пинцетов, посеревший початок кукурузы, художественная открытка, очки – почти ничего. Ее тетради хранятся в библиотеке. Ей бы, вероятно, понравилась такая скромная выставка. После нее остались ее идеи, а не эти вещицы. Просто удивительно, как много можно увидеть, рассматривая кукурузные зерна. Глядя на небольшую оловянную тарелку с разноцветными початками кукурузы, купленными мне в подарок одним моим другом на еженедельном фермерском рынке в Граце (Австрия), я вспоминаю о «прыгающих» генах, открытых Макклинток. Вот они: транспозоны, ретротранспозоны, ретровирусы, вплоть до противовирусной защиты и иммунной системы – все принадлежат друг другу. Всего несколько разноцветных кукурузных зерен поведали нам об истории, насчитывающей несколько миллиардов лет. Нужно сохранять некоторые подобные прекрасные свидетельства истории развития жизни на Земле – к ним, конечно же, относится и разноцветная кукуруза из Граца, а не выпускаемая в промышленных масштабах желтая масса в жестяных банках – в ней нет ничего особенного!
.
