Проект ENCODE, или Как большая наука взялась за мусорную ДНК

 В интернете частенько мелькают статьи, в которых говорится о "волновых свойствах ДНК" и неспособности ученых объяснить, зачем в клетке присутствует 98% "мусорной ДНК". Большинство этих статей - откровенный бездоказательный бред журналистов, путающих "нуклеотиды" и "нуклиды". Тем не менее, поскольку именно такие статьи становятся достоянием широкой общественности, у людей возникает превратное мнение об "официальной" науке.

 Что б по мере возможностей развеять такие впечатления и немного познакомить людей с нынешним положением дел в этой области, я хотел бы преоставить выдержку из главы, посвященной проекту ENCODE, из замечательной книги  «Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома» Нессы Кэри. Книгу целиком, если заинтересуетесь, можно легко найти в интернете .

Если вы когда-нибудь окажетесь в безлунную и безоблачную ночь вдали от огней большого города, раздобудьте одеяло, расстелите его на земле и, улегшись, посмотрите вверх, на звезды. Это одно из самых чудесных зрелищ, какие только можно себе вообразить. Особенно поражает оно тех, кто всю жизнь проводит в мегаполисе. Кажется, что серебристых блесток на черном бархате небес так много, что их и не сосчитать.

Но если у вас под рукой телескоп, вы поймете, что на небосводе много такого, чего не различишь невооруженным глазом. Взять хотя бы кольца Сатурна. И звезд вы обнаружите неизмеримо больше, чем могли бы себе представить. В мнимой черноте Вселенной куда больше объектов, чем можно разглядеть без помощи приборов. Это становится еще очевиднее, если применить оборудование, способное распознавать излучение, находящиеся за пределами диапазона видимых нами волн. К нам сразу потоком хлынет новая информация, поставляемая самыми разными волнами, от гамма-лучей до фонового микроволнового излучения. Эти звезды и прочие космические объекты столетия назад были там, где они находятся сейчас, просто мы не могли обнаружить их, используя лишь собственные глаза.

В 2012 году появилась масса статей, посвященных попыткам обратить своего рода телескоп на самые таинственные закоулки человеческого генома. Этой работой занялся консорциум ENCODE, объединивший усилия сотен ученых из самых разных исследовательских организаций. ENCODE — сокращение, которое расшифровывается как «Encyclopaedia Of DNA Elements» («Энциклопедия элементов ДНК»)¹. При помощи самых чувствительных методов, доступных сейчас науке, исследователи изучали многочисленные свойства человеческого генома. Удалось проанализировать около 150 различных типов клеток. Получаемые данные объединяли, а затем обрабатывали по одной и той же схеме, чтобы корректно сравнивать информацию, полученную при помощи разных методик и технологий. Это очень важно, поскольку обычно чрезвычайно трудно сопоставлять наборы данных, получаемых и анализируемых независимо друг от друга. А ведь раньше нам приходилось опираться именно на такую мешанину результатов.

Публикация результатов, полученных в рамках проекта ENCODE, привлекла колоссальное внимание прессы, а также научного сообщества. Средства массовой информации запестрели заголовками типа: «Научный прорыв. Теория „мусорной ДНК“ генома опровергнута»2; «ДНК-проект интерпретирует „Книгу Жизни“»³ или «Международная армия ученых взламывает код „мусорной ДНК“»⁴. Надо сказать, что многие ученые действительно были приятно удивлены, увидя результаты, полученные в рамках проекта ENCODE, и теперь ежедневно используют их в собственных работах. Но возгласы одобрения звучали отнюдь не отовсюду. Критика раздавалась главным образом из двух научных лагерей. В первый входили «мусорные скептики», во второй — эволюционисты-теоретики.

Чтобы понять чувства, обуявшие ученых первой группы, обратимся к одному из самых амбициозных заявлений, приведенных в статьях ENCODE:

Эти данные позволили нам приписать биохимические функции 80% генома. Особенно это касается  зон, лежащих за пределами хорошо изученных участков , то есть за пределами областей, которые кодируют белки⁵.

Иными словами, участники проекта ENCODE как бы заявляли: перед нами не темное небо, лишь менее чем на 2% занятое звездами. Они утверждали: небосвод нашего генома на четыре пятых заполнен всевозможными объектами. Причем большинство объектов — отнюдь не звезды (если считать, что звезды в этом сравнении — гены, кодирующие белки). Вероятно, это астероиды, планеты, естественные спутники планет, метеоры, кометы и прочие межзвездные тела, какие только можно себе представить.

Как мы видели, многие исследовательские группы уже и до этого приписали определенные функции каким-то из этих темных областей: вспомним промоторы, энхансеры, теломеры, центромеры, длинные некодирующие РНК (это лишь несколько примеров). Так что большинство ученых вполне устраивала идея, согласно которой в нашем геноме содержится не только эта небольшая доля генетического материала, кодирующая белки. Но 80% генома, обладающие функциями? Это казалось чересчур смелым заявлением.

Данные ENCODE многих поразили. Тем не менее их предвестием стали результаты многочисленных косвенных исследований, на протяжении предыдущего десятилетия проводившихся учеными, которые все пытались понять, отчего человек так сложно устроен. Над этой проблемой ломало голову немало специалистов и неспециалистов с тех самых пор, как выяснилось: полная расшифровка человеческого генома не выявила у человека большего числа генов, кодирующих белки, по сравнению с куда более простыми организмами. Исследователи проанализировали размеры части генома, кодирующей белки, у различных представителей царства животных, и процентную долю, которую составлял мусор в общем объеме генома. Результаты этого анализа сжато показаны на рисунке:

Как мы уже знаем, количество генетического материала, кодирующего белки, не очень-то соотносится со сложностью организма. Куда более убедительная зависимость существует между процентной долей мусора в геноме и тем, насколько сложно устроен носитель этого генома. Пытаясь интерпретировать этот факт, исследователи предположили, что различия между простыми и сложными существами порождаются главным образом именно мусорной ДНК. Возможно, это означает, что существенная доля мусорной ДНК все-таки обладает какими-то функциями⁶.

ENCODE рассчитывал долю функционирующих участков в нашем геноме, объединив всевозможные данные. В число этих данных вошла и информация о молекулах РНК, которые удалось обнаружить участникам проекта. Среди этих РНК оказались представлены как кодирующие белки, так и не кодирующие их, то есть мусорные РНК. Все они имели самую разную длину — от молекул протяженностью в тысячи нуклеотидных оснований до молекул в сотню раз меньше. Кроме того, ENCODE считал геномные области имеющими функции, если такие зоны несли на себе определенные комбинации эпигенетических модификаций, обычно связываемые с функциональными областями. Другие подходы предполагали, в частности, анализ участков, которые образуют петли и благодаря этому сближаются. Еще одна методика подразумевала характеризацию генома по специфическим физическим свойствам, связываемым с той или иной функцией.

Свойства эти отличались у разных типов человеческих клеток, что подтвердило гипотезу, согласно которой клетки могут использовать одну и ту же геномную информацию весьма гибко. К примеру, изучение образования петель показало, что одна разновидность взаимодействий между различными участками генома наблюдается лишь у каждого третьего из исследованных типов клеток⁷. Это позволяет предположить, что сложная трехмерная укладка нашего генетического материала — явление комплексное и зависящее от типа клетки.

Изучая физические характеристики, обычно связываемые с регуляторными областями, ученые пришли к выводу, что регуляторные участки ДНК также активируются в зависимости от типа клетки — и что, в свою очередь, характер клетки (то, какой она станет) формируется под действием этой мусорной ДНК⁸. К этому выводу исследователи пришли после того, как выявили около 3 миллионов таких мест (сайтов) путем анализа клеток 125 различных типов. Это не означает, что у клеток каждого типа 3 миллиона сайтов. Это лишь означает, что, проанализировав все эти клеточные типы, ученые обнаружили 3 миллиона сайтов. Опять-таки, это наводит на мысль, что регуляторный потенциал генома может использоваться по-разному — в зависимости от нужд той или иной клетки.

На рисунке, лощади кругов отражают распределение таких сайтов. Большинство их обнаруживали в клетках двух и более типов, хотя значительная их доля оказалась специфической для отдельных типов клеток. И лишь очень малую часть сайтов удалось найти в каждой из проанализированных клеточных линий.

Свыше 90% регуляторных участков, выявленных благодаря этому методу, находились более чем за 2500 пар нуклеотидных оснований от начала ближайшего гена. Иногда они располагались вдали от всех генов, а иногда — в мусорной области, входящей в состав гена, но все равно они размещались далеко от его начала.

Большинство промоторов генов ассоциированы более чем с одним таким участком, а каждый такой участок обычно ассоциирован более чем с одним промотором. Однако, опять-таки, наши клетки, судя по всему, контролируют генетическую экспрессию отнюдь не прямолинейно. Они используют сложные сети взаимодействующих узлов.

Среди наиболее поразительных данных — информация, позволяющая предположить, что более 75% нашего генома хоть когда-нибудь, хоть в каких-нибудь клетках копируется в РНК⁹. Любопытное предположение. Никто не мог ожидать, что три четверти мусорной ДНК наших клеток может реально использоваться для производства РНК. При сравнении информационных РНК, кодирующих белки, с длинными некодирующими РНК ученые выявили существенную разницу в картине экспрессии. В 15 изученных клеточных линиях информационные РНК, кодирующие белки, гораздо охотнее экспрессировались во всех  клеточных линиях, чем длинные некодирующие РНК. Исследователи пришли к выводу: длинные некодирующие РНК играют определяющую роль в управлении судьбой клеток.

Взятые в совокупности, данные из статей, опубликованных в рамках проекта ENCODE, рисуют картину весьма активного человеческого генома с чрезвычайно сложными схемами взаимодействия и «общения». В сущности, мусорная ДНК набита информацией и инструкциями. Нелишне повторить здесь указания гипотетического режиссера из Введения: «Если вы ставите „Гамлета“ в Ванкувере и „Бурю“ в Перте, в такой-то строке „Макбета“ ударение должно падать на четвертый слог. Если только при этом любительская труппа не ставит „Ричарда III“ в Момбасе, в Кито не идет дождь»¹⁰.

1. Массу информации о проекте ENCODE, в том числе ряд интервью с некоторыми из его ведущих специалистов, см. в: http://www.nature.com/encode.
2. http://www.theguardian.com/science/2012/sep/05/genes-genome-junk-dna-encode.
3. http://edition.cnn.com/2012/09/05/health/encode-human-genome/index. html?hpt-hp_bn 12.
4. http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/9524165/Worldwide-army-of-scientists-cracks-the-junk-DNA-code.html.
5. ENCODE Project Consortium, Bernstein BE, Birney E, Dunham I, Green ED, Gunter C, Snyder M. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 2012 Sep 6;489(7414):57-74.
6. Mattick JS. A new paradigm for developmental biology. J Exp Biol. 2007 May; 210(Pt 9):1526-47.
7. Sanyal A, Lajoie BR, Jain G, Dekker J. The long-range interaction landscape of gene promoters. Nature. 2012 Sep 6;489(7414):109-13.
8. Thurman RE, Rynes E, Humbert R, Vierstra J, Maurano MTif-Haugen E, Sheffield NC, Stergachis AB, Wang H, Vernot B, Garg K, John S, Sandstrom R, Bates D, Boatman L, Canfield TK, Diegel M, Dunn D, Ebersol AK, Frum T, Giste E, Johnson AK, Johnson EM, Kutyavin T, Lajoie В, Lee BK, Lee К, London D, Lotakis D, Neph S, Neri F, Nguyen ED, Qu H, Reynolds AP, Roach V, Saf A, Sanchez ME, Sanyal A, Shafer A, Simon JM, Song L, VongS, Weaver M, Yan Y, Zhang Z, Zhang Z, Lenhard B, Tewari M, Dorschner MO, Hansen RS, Navas PA, Stamatoyannopoulos G, Iyer VR, Lieb JD, Sunyaev SR, Akey JM, Sabo PJ, Kaul R, Furey TS, Dekker J, Crawford GE, Stamatoyannopoulos JA. The accessible chromatin landscape of the human genome. Nature. 2012 Sep 6;489(7414):75-82.
9. Djebali S, Davis CA, Merkel A, Dobin A, Lassmann T, Mortazavi A, Tänzer A, Lagarde J, Lin W, Schlesinger F, Xue C, Marinov GK, Khatiin J, Williams BA, Zaleski C, Rozowsky J, Röder M, Kokocinski F, Abdelhamid RF, Alioto T, Antoshechkin I, Baer MT, Bar NS, Batut P, Bell K, Bell I, Chakrabortty S, Chen X, Chrast J, Curado J, Derrien T, Drenkow J, Dumais E, Dumais J, Duttagupta R, Falconnet E, Fastuca M, Fejes-Toth K, Ferreira P, Foissac S, Fullwood MJ, Gao H, Gonzalez D, Gordon A, Gunawardena H, Howald C, Jha S, Johnson R, Kapranov P, King B, Kingswood C, Luo OJ, Park E, Persaud K, Preall JB, Ribeca P, Risk B, Robyr D, Sammeth M, Schaffer L, See LH, Shahab A, Skancke J, Suzuki AM, Takahashi H, Tilgner H, Trout D, Walters N, Wang H, Wrobel J, Yu Y, Ruan X, Hayashizaki Y, Harrow J, Gerstein M, Hubbard T, Reymond A, Antonarakis SE, Hannon G, Giddings MC, Ruan Y, Wold B, Carninci P, Guigô R, Gingeras TR. Landscape of transcription in human cells. Nature. 2012 Sep 6:489(7414): 101-8.
10. Впервые я употребила это описание в своем посте на Huffington Post , рассуждая о проекте ENCODE. Оно мне настолько понравилось, что я решила использовать его и здесь. Вот ссылка на блог: http://www. huffingtonpost.com/nessa-carey/the-value-of-encode_b_1909153.html.

Что б не сложилось впечатления о существовании "единой линии партии" в науке, скажу, что далее в книге рассматривается конструктивная критика интерпритации данных ENCODE как "окончательного объяснения функций "мусорной ДНК" ". Иначе и быть не может, вокруг факта, имеющего множественное толкование, будут вырастать разнообразные теории, истинность которых определит экспериментальное подтверждение.
Тем не менее, уже сейчас можно утверждать, что "мусорная ДНК" - это отнюдь не случайный мусор, и не какой нибудь "квантовый осцилятор", а по большей части сложный регулятор экспрессии генов, благодаря которому стало возможно появление и функционирование многоклеточных организмов с разными типами тканей и клеток с одним и тем же набором генов.

Рейтинг публикации:

5

Ключевые теги: Мусорная ДНК, Гены, ENCODE
Комментарии (3) | Распечатать

Добавить новость в: