Помехоустойчивость на уровне генома: зачем нужны «ненужные гены»?
Рассмотрим это на примере избыточности генома. На удивление часто обнаруживается, что тот или иной ген как будто ни для чего и не нужен: его удаление не приводит ни к каким видимым последствиям и нисколько не снижает жизнеспособность организма. Почему так?
Вероятно, эти гены зачем-то всё же нужны, но не в тепличных условиях научной лаборатории, а в природе, где живым организмам приходится иметь дело с бесконечно разнообразными, переменчивыми и малопредсказуемыми факторами среды. Чем постояннее и предсказуемее условия обитания, тем сильнее может упроститься генетическая «программа» поведения клетки (или многоклеточного организма). Именно этим объясняют, например, радикальное сокращение геномов у внутриклеточных симбиотических бактерий. Условия, в которых живут лабораторные организмы, обычно предельно стандартизированы (стандартные среды, корма, клетки, освещенность и т. д.), что делает их существование — с эволюционной точки зрения — мало отличающимся от жизни внутриклеточных паразитов.
Рассмотрим исследование, в котором эти соображения получили прямое подтверждение. Исследование проведено генетиками из США и Канады в 2008 году. Авторы изучали «ненужные гены» классического лабораторного объекта — гриба Saccharomyces cerevisiae (это всем известные дрожжи). У дрожжей 6000 генов, но жизненно необходимыми являются только 1000. Примерно 4000 генов можно удалить или отключить без всякого снижения жизнеспособности. Еще около 1000 генов можно удалить со снижением жизнеспособности, но не смертельным. Остальные 4000 генов вообще непонятно, зачем нужны.
Но нужно подчеркнуть: речь идет о жизнеспособности в стандартных лабораторных средах, насыщенных всеми необходимыми веществами.
Авторы использовали коллекции дрожжей-мутантов, где каждый штамм содержит одну делецию (один удаленный ген).
Каждый из подопытных штаммов тестировался в разнообразных нестандартных условиях. В среду добавляли всевозможные химические вещества, в том числе лекарства, подавляющие рост микроорганизмов, или удаляли из среды какие-нибудь важные компоненты (например, аминокислоты или витамины).
Ученые проделали поистине титаническую работу: общее количество выполненных тестов превысило 6 миллионов! В каждом из тестов рост дрожжей в нестандартной среде сравнивался с ростом того же штамма в «обычных» лабораторных условиях.
Оказалось, что подавляющее большинство «ненужных» генов оказываются полезными (то есть повышают жизнеспособность дрожжей) хотя бы в одной из протестированных сред. Только 205 генов (3% от общего числа) так и не раскрыли своего секрета: среди испробованных вариантов условий не нашлось такого, в котором наличие этих генов оказалось бы полезным. Значительная часть генов, как выяснилось, повышает устойчивость дрожжей к воздействию различных ядов, в том числе всевозможных лекарств, применяемых для борьбы с патогенными микроорганизмами.
Любопытная ситуация сложилась с транскрипционными факторами (ТФ) — белками, регулирующими активность генов в зависимости от тех или иных внешних факторов или сигналов. В геноме дрожжей имеется около 160 генов ТФ, однако лишь 5 из них являются жизненно необходимыми при росте в стандартных «идеальных» условиях. Практически все ТФ оказались полезными в тех или иных нестандартных условиях, а 16 из них вошли в число многофункциональных «защитников», повышающих устойчивость дрожжей сразу ко многим отравляющим веществам. Транкрипционные факторы составляют основу системы реагирования клетки на внешние стимулы — вместе с другими сигнальными и регуляторными белками их можно уподобить органам чувств и нервной системе многоклеточных животных. Чем меньше транскрипционных факторов, тем «глупее» клетка. Вполне естественно, что в идеальных тепличных условиях сложные системы реагирования становятся ненужными — на этом принципе основана и быстрая редукция генов ТФ у внутриклеточных симбиотических бактерий, и закономерное уменьшение размеров мозга и снижение умственных способностей у домашних животных по сравнению с их дикими предками.
Исследование, таким образом, полностью подтвердило теоретические ожидания, основанные на принципе: «если ген существует, значит он зачем-то нужен». Число якобы «ненужных» генов в геноме дрожжей теперь сократилось с 66% до 3%, да и эти оставшиеся гены с неизвестной функцией, скорее всего, тоже для чего-нибудь нужны дрожжам в естественных условиях. Те же из них, которые действительно стали ненужными, могут находиться в той или иной стадии деградации. Авторы отмечают, что более трети из этих 205 генов, по-видимому, уже не функционируют, то есть не экспрессируются.
-----------------------------------------