В биологии есть понятие минимального генома – минимального набора генов, без которых организм не выживет. Конечно, к этому понятию есть масса вопросов. Например, о каком именно организме идёт речь?
Можно взять одноклеточную бактерию, а можно очень и очень многоклеточного человека – по образу жизни они настолько разные, что и набор необходимых генов у них, очевидно, тоже будет разным.
Опять же, есть пункт «образа жизни». При каких условиях минимальный геном будет достаточен? Та же бактерия может попасть в исключительно благоприятную питательную среду, с идеальными показателями температуры, содержания солей, питательных веществ и т. д., а может, наоборот, перейти на голодный паёк, да ещё испытать на себе повышение солёности или кислотности. И набор необходимых для выживания генов в обоих случаях будет разный. Поэтому при обсуждении минимального генома часто оговариваются, что речь идёт именно о благоприятных условиях жизни.
Вообще мысль о том, что одни гены нужнее других, возникла сравнительно давно: так, ещё в 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин оценили минимальный необходимый геном для бактериальной клетки в 256 генов; в 2004 году другими исследователями был предложен набор в 204 гена. Минимальный геном строили на сравнительном анализе нескольких бактериальных геномов; если же говорить о конкретном организме, то здесь неизбежно приходится вспомнить о бактерии Mycoplasma genitalium, возбудителе заболеваний мочеполовой системы человека – у неё насчитывается всего 517 генов, из которых 482 кодируют белки; жизненно важных из них 382. Геном микоплазмы некоторое время считался самым маленьким, пока не были прочитаны ДНК ещё нескольких микроорганизмов, которые могут существовать только в виде симбионтов внутри клеток хозяина. Пока что чемпионом здесь является бактерия Carsonella, обитающая в клетках листоблошек – её геном содержит всего 182 гена с белковой информацией.
Бактерии бактериями, а если попробовать оценить минимальное число генов у человека? Именно это попыталась сделать исследовательская группа под руководством Дэниэла Макартура (Daniel MacArthur) из Института Броуда. Отделить важные гены от неважных можно, если предположить, что важные гены будут у разных людей полностью или почти полностью похожи друг на друга. Известно, что в генах могут проскакивать небольшие изменения в последовательностях, по которым одна особь отличается от другой; такие изменения могут вообще не сказываться на работе белка, кодируемого геном, или же сказываться незначительно. Но в случае важных генов их модификации с очень большой вероятностью плохо отразятся на организме, и он вряд ли выживет. Что до неважных генов, то они могут в определённых условиях позволить себе работать не очень хорошо, не подвергая нашу жизнь опасности.
И вот исследователи взялись сравнить между собой гены 60 тысяч человек (стоит уточнить, что сравнивали лишь экзоны, то есть те участки генов, которые несут информацию о последовательности аминокислот в белках). В сумме удалось найти 10 млн различий.
С другой стороны, для каждого гена оценивали теоретическое количество вариантов, которые бы он получил, если бы они возникали в нём случайно и так и оставались. Результат теоретической прикидки сравнивали с тем, что получили в ходе сравнительного анализа реальных последовательностей ДНК (взятых, напомним, у 60 тыс. человек). Как и ожидалось, какие-то гены легко «относились» к вариациям в собственной последовательности, другие же, напротив, старались от них избавиться. Посчитав гены, в которых изменений не было или почти не было, авторы работы получили цифру 3230 – именно столько человеческих генов не могут позволить себе никаких, даже малейших изменений в функционировании. То есть, можно сказать, что эти 3230 и есть жизненно необходимый генетический набор человека. (Напомним, что всего же человеческий геном насчитывает, по разным оценкам, от 20 до 25 тыс. генов.)
Очевидно, модификации в последовательностях таких генов сразу же приводят к каким-то тяжёлым расстройствам либо ещё во время эмбрионального развития, так что человек даже не успевает появиться на свет, либо уже после рождения, в детстве или ранней юности (человек умирает, не успев родить детей). Действительно, про 20% из описанных 3230 известно, что они связаны с разными заболеваниями, однако функцию большинства остальных генов ещё предстоит выяснить. Полученные результаты можно использовать в медицинских целях: очевидно, что поиск генетических причин тех или иных заболеваний лучше всего начинать именно с «минимального генетического набора».
Новые данные пока что существуют в виде препринта, статьи с ними пока нет. Возможно, что к моменту официальной публикации, после всех замечаний рецензентов, число генов как-то изменится. Впрочем, оно может измениться и так: кто знает, вдруг, если мы возьмём ещё больший набор последовательностей для анализа, то список необходимых генов увеличится? Не будем забывать и о том, что наш геном, как и любой другой, состоит не только из кодирующих последовательностей (то есть тех, что непосредственно несут информацию о белках) – в ДНК существует масса регуляторных участков, промоторов, энхансеров, инсуляторов, участков, кодирующих регуляторные РНК, и среди них, безусловно, есть жизненно важные.
Кстати говоря, одна из задач определения минимального генома – создание организма в буквальном смысле с нуля. Иными словами, можем ли мы, зная генетический набор минимального генома, создать живую бактериальную клетку, пусть и требующую для себя исключительно благоприятных условий? С бактериями, между прочим, это уже пытаются проделать; что ж, когда-нибудь дело дойдёт и до человека.
Автор: Кирилл Стасевич