Геном — это не просто набор генов

Геном человека — сумма наследуемой информации — представляет собой, как только что выяснилось, не только набор кодирующих белки генов.

Проект ENCODE расшифровал устройство хромосом с беспрецедентной детализацией. (Изображение ENCODE.)

Проект «Энциклопедия ДНК элементов» (Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE), финансируемый США, начинался в конце 1990-х с намерения разыскать все традиционные гены, дабы выявить все белки, необходимые для жизни. Каждый ген мыслился как дискретный фрагмент ДНК, и порядок расположения оснований ДНК (всем известных «букв» — то есть молекул, из которых составляется ДНК) считался кодом конкретного белка. Но, к своему удивлению, учёные обнаружили, что на такие участки приходится менее 3% генома. В чём же смысл миллиардов других оснований?

Теперь на этот вопрос есть ответ. Выяснилось, что многие из них играют важную роль в биологии человека: например, они помогают определить, когда ген включён или выключен. Именно это обстоятельство делает одну клетку клеткой почки, а другую — клеткой мозга. «Геном — это не просто набор генов», — подытоживает соавтор Марк Герштейн из Йельского университета (США).

Проникновение в эту суть поможет исследователям глубже понять связь между генетикой и болезнями: составлена беспрецедентно точная и всеобъемлющая карта с указанием роли каждого конкретного основания.

В проекте ENCODE, возглавлявшемся Эваном Бёрни из Европейского института биоинформатики (Великобритания), принимали участие 32 учреждения и 442 специалиста. Они провели компьютерный анализ, выполнили биохимические тесты и исследовали основания 147 типов клеток (шести из них — с особенной тщательностью), дабы выяснить роль каждого из 3 млрд оснований. В целом выходит, что около 80% генома биохимически активны. Одни основания предназначены для того, чтобы связываться с белками, влияющими на активность генов. Другие превращаются в нити РНК, которые и сами способны выполнить ряд функций — регуляцию генов, например. (РНК, как правило, рассматривается в качестве молекулы-посредника, которая помогает производить белки, но ENCODE показал, что бóльшая часть РНК является конечным продуктом и не используется для создания белков.) И многие основания просто предоставляют место химическим модификациям, которые отключают избранные участки наших хромосом.

Тем самым наше представление о генах меняется весьма принципиальным образом. Установлено, что около 76% ДНК транскрибируется в РНК того или иного рода — гораздо больше, чем ожидалось. В эту часть ДНК входит чуть менее 21 тыс. кодирующих белок генов (некогда предполагалось, что у нас их более 100 тыс.), а также «гены» 8,8 тыс. малых РНК-молекул и 9,6 тыс. длинных некодирующих РНК, каждая из которых занимает по меньшей мере 200 оснований. Добавьте к этому 11 224 участка ДНК, которые классифицировались как псевдогены, то есть «мёртвые» гены, и которые, как только что выяснилось, на самом деле активны, но лишь в некоторых типах клеток или у отдельных людей. Наконец, стало известно, что гены могут пересекаться и иметь несколько начал и концов.

В общей сложности обнаружено 4 млн участков ДНК, которые действуют как переключатели активности генов. Эти коммутаторы могут находиться как вблизи, так и вдали от регулируемого ими гена. Они действуют в различных сочетаниях в различных типах клеток, дабы придать им индивидуальности. Кроме того, по крайней мере некоторые из нитей РНК, производимых геномом, помогают контролировать количество белка, получаемого в результате деятельности конкретного гена. Таким образом, регуляция генов оказывается гораздо более сложным процессом, чем считалось.

Результаты исследования опубликованы в журналах Nature (шесть статей), Genome Research и Genome Biology (24 материала), а также на сайте журнала Science (две статьи).

Подготовлено по материалам ScienceNOW.