Дина Эмера – Женщина. Эволюционный взгляд на то, как и почему появилась женская форма (страница 33)

Научная карьера часто начинается с более широкого поля исследования, которое постепенно сужается. Я начала немного интересоваться эволюцией человека в магистратуре Нью-Йоркского университета. После магистратуры я работала над докторской в Йельском университете, и меня привлекли вопросы о видах изменений в ДНК, которые приводят к изменениям в разных частях тела, физиологии и поведении – и не только у людей. Например, те изменения, которые позволили млекопитающему перейти от откладывания яиц к выращиванию детенышей внутри собственного тела. Как происходят настолько радикальные перемены?

Мне удалось попасть в лабораторию в Йельском университете, которая изучала необычные элементы ДНК – транспозоны – и их роль в эволюции беременности. Чтобы понять эту роль, давайте сначала сделаем шаг назад и поговорим о структуре и функциях нашего генома, который представляет собой ДНК, повторяющююся в каждой из наших клеток. Мы поговорим о 46 хромосомах, которые содержатся в каждой клетке человеческого тела (кроме яйцеклетки и сперматозоида – там их по 23). Каждая хромосома – это длинная молекула ДНК, составленная из строительных блоков – нуклеотидов, которые образуют кольцо с некоторыми упаковочными белками. Если просканировать хромосому от одного конца до другого, вы обнаружите гены, расположенные вдоль ДНК. Гены – это план для построения белков, «рабочих лошадок» клетки. Когда вы думаете о ДНК, первое, что приходит на ум, – это гены. Но в генах находится всего 1 процент нуклеотидов, составляющих ДНК. А остальные 99 процентов?

Раньше остальную часть называли «мусором» – который может и можно использовать, но непонятно как. Мы знаем, что области ДНК вокруг генов участвуют в их регуляции – другими словами, контролируют, когда, где, сколько и как долго ген экспрессируется или активен. Представьте выключатель, который регулирует лампу у вас в гостиной: если лампу нельзя включить, выключить, сделать поярче или приглушить, это довольно бесполезная вещь. Так же и гены – они бесполезны, если не управлять их активностью. Переключатели вокруг генов содержат множество коротких последовательностей ДНК, которые распознаются особыми белками, контролирующими активность гена. Они являются неотъемлемой частью жизни, позволяя организмам использовать ограниченное количество генов для многочисленных целей – в разных типах клеток, на разных стадиях жизни, в разных средах. Но наличие генных переключателей все равно не объясняет всей картины, даже большей части того, что считалось «мусором». Здесь в историю вступают транспозоны.

Транспозоны – это разнообразная группа генетических элементов, которые вместе составляют более половины генома человека. У них есть несколько удивительных свойств. Транспозоны еще называют прыгающими генами, эгоистичной ДНК или геномными паразитами, поскольку они могут копировать себя и вставлять снова и снова в геном хозяина. Подобно паразитическим червям, которые проникают в кишечник и питаются кровью, чтобы жить и размножаться, транспозоны вторгаются в геном и используют клеточные механизмы для воспроизводства внутри генома. Поскольку одной из главных тем этой книги является генетический конфликт между двумя взаимодействующими сторонами, транспозоны отлично вписываются. В данном случае, две борющиеся стороны – это транспозон и геном хозяина.

ДНК, хромосомы и гены

Успешные транспозоны – это те, которые смогли обильно распространиться в геноме. Если они попадают в яйцеклетки и сперму, новые (и старые) копии передаются следующему поколению хозяев. Но они могут быть вредны для хозяина, если проникнут в важные области, например те, которые содержат гены или генные переключатели, поэтому хозяева разработали методы, как их останавливать. Интересно, что один из этих методов – нанесение на ДНК-транспозон биохимических меток, которые препятствуют его активности, – поразительно похож на метод, используемый во время геномного импринтинга, который позволяет родителям отключать определенные гены в яйцеклетках и сперматозоидах. Есть мнение, что геномный импринтинг развился из этой стратегии защиты хозяина, направленной на выключение транспозонов, которые были особенно активны у предков сумчатых и плацентарных млекопитающих, тех же групп, у которых есть геномный импринтинг. Но по мере того, как хозяева развивали способы отключать транспозоны, транспозоны развивали способы обойти эту защиту в непрекращающейся битве между транспозоном и геномом. Когда вы смотрите на геном человека сегодня (или геном любого животного или растения, раз уж на то пошло), вы наблюдаете конечный результат многочисленных конфликтов из эволюционного прошлого. Сейчас геном усеян различными типами транспозонов, которые распространяются по нему в разные моменты времени и с разной эффективностью. Большинство транспозонов были остановлены, но часть еще перемещается по нашим геномам.

Эта динамика конфликта интересна сама по себе, но для биолога-эволюциониста, интересующегося тем, как тела развиваются на уровне ДНК, одна из самых интригующих особенностей транспозонов заключается в том, что они за короткий промежуток времени доставляют в геном хозяина большое количество новых последовательностей ДНК. Новые последовательности становятся движущей силой эволюционных изменений организма. После того как транспозон останавливают, он продолжает быть частью генома хозяина, часто в многочисленных копиях. Эти неактивные транспозоны составляют большую часть мусорной ДНК, о которой я говорила ранее. Но они не сидят в геноме без дела, отдельные (или несколько копий одного и того же) транспозоны задействуются геномом для выполнения полезных действий. Транспозоны могут снабжать геном новыми генами и генными переключателями, которые, в зависимости от того, когда, где и как они были задействованы, могут привести к большим изменениям в организме хозяина. Думаю, именно это и произошло во время появления и эволюции плаценты у млекопитающих. Одна из особенностей транспозонов, которая увеличивает вероятность того, что именно они повлияли на эволюцию плаценты (органа, который сильно различается у разных млекопитающих), заключается в том, что их активность весьма специфична для каждого вида. Другими словами, один элемент может быть активен у людей, другой – у лошадей, а третий – у летучих мышей, причем каждый из них распространяет различную последовательность ДНК по геному этого вида. Даже если один и тот же транспозон активен у двух разных видов, он будет перемещаться в разные места их геномов, что может повлиять на то, будет ли задействована каждая копия и как. Различия в активности транспозонов у разных млекопитающих могут объяснить различия в функционировании плаценты/матки в этой группе. Но какие есть доказательства?

Поговорим о плоде. Имеется множество доказательств того, что класс транспозонов, называемый эндогенным ретровирусом (ERV), активировался в плаценте не один раз, а у млекопитающих многократно. ERV – это особый тип транспозонов, происходящий от инфекционных вирусов, интегрировавшихся в геном хозяина. Как и многие транспозоны, ERV имеют свои собственные гены, кодирующие некоторые белки, которые участвуют в слиянии клеток, уклонении от иммунной системы и в проникновении клеток в другие ткани. Ничего не напоминает? Все это – свойства инвазивной плаценты. Мы знаем, что отдельные транспозоны ERV активируются у разных млекопитающих, в том числе у приматов, грызунов и овец, и каждый из них играет активную роль в развитии и функционировании плаценты. Мы также предполагаем, что ERV активировались у предков всех плацентарных млекопитающих, что запустило первоначальную плацентарную инвазию в ткани матки. Помимо ERV в плаценте задействованы и другие типы транспозонов, многие из которых действуют как генные переключатели, позволяя генам, которые ранее не были активны в плаценте, стать активными.

Также есть доказательства того, что транспозоны активируются в тканях матки, вызывая важные для развития беременности изменения. В проекте под руководством Винни Линча, коллеги из Йельского университета, который сейчас работает в Университете в Буффало, мы показали, что транспозоны, активные в геноме ранних плацентарных млекопитающих, распространяются вокруг генных переключателей, важных для трансформации клеток матки в децидуальные клетки. Другими словами, возникновение децидуальных клеток у первых плацентарных млекопитающих включало активацию тысяч транспозонов в слизистой оболочке матки. Создание нового типа клеток – непростая задача: разные типы клеток выполняют совершенно разные задачи, используя для выполнения этой работы разный набор генов и генных переключателей. Активация этих транспозонов наделила клетки матки новым набором функций, критически важных для беременности. Было задействовано множество типов транспозонов и копий транспозонов, между которыми есть одна общая черта: короткие последовательности ДНК, которые реагируют на прогестерон. Этот гормон имеет решающее значение для децидуальной трансформации, выполнения децидуальных функции и поддержания беременности. Таким образом, управляемое транспозонами накопление в геноме генных переключателей, реагирующих на прогестерон, было ключевым событием в эволюции беременности у млекопитающих.