Цивилизация
— Константин Валерьевич, объясните, пожалуйста, что такое горизонтальный перенос генов?
— Это процесс передачи генетической информации между организмами, которые не являются потомками друг друга. Этот процесс происходит не через обычное вертикальное наследование от родительских клеток к потомству, а путем передачи генов от одного организма к другому без сексуального размножения.
Существует несколько механизмов горизонтального переноса генов: трансформация, конъюгация и трансдукция. В трансформации генетический материал из окружающей среды попадает в клетку и интегрируется в ее геном. Конъюгация — это процесс, при котором бактериальные клетки обменивают плазмидами – небольшими автономными молекулами ДНК. Трансдукция — это передача генетической информации от одной клетки к другой с помощью вирусов.
Горизонтальный перенос генов может приводить к эволюционным изменениям в организме, так как новые гены могут добавлять новые функции и свойства, а также сделать организмы устойчивыми к антибиотикам и другим факторам среды. Раньше считалось, что горизонтальный перенос генов возможен только у бактерий и грибов. Теперь стали появляться данные, что такой механизм может быть у животных, включая человека.
Константин Валерьевич Крутовский
Фото из личного архива— Какие факты заставили задуматься ученых о существовании подобного механизма у высокоорганизованных организмов?
— Мы все больше узнаем о работе генома, — как человека, так и других животных, растений. Долгое время загадкой было явление избыточности генома, при котором размер генома организма и число генов гораздо больше, чем это ожидается, глядя на его сложность.
Например, геном сосны в 6-12 раз больше (17-35 млрд нуклеотидных оснований в зависимости от вида), чем у человека (чуть больше 3 млрд нуклеотидных оснований), и число генов тоже в полтора-два раза больше. И это долгое время было парадоксом.
Потом оказалось, что это связано с более сложной организацией генов и генома у высокоразвитых организмов. Также выяснилось, что помимо генов, кодирующих белки (отвечающих за большинство биохимических реакций в организме), есть гены и часть генома, не кодирующих белки, но участвующих в сложных процессах регуляции активности других генов.
Гены, кодирующие белки человека, составляют только 1-2% всего генома. Остальную часть долгое время называли даже «мусорной ДНК», не понимая ее функций. Оказалось, что существенная часть этой ДНК очень даже важна и нужна.
— То есть сейчас уже нет такого выражения, как junk ДНК, – что значит «мусорная ДНК»?
— Да, так сейчас уже не говорят, хотя так говорили еще относительно недавно, — где-то в конце 1960-х. Но потом поняли, что генов, которые играют какую-то функциональную роль, не 1% от всего генома, а гораздо больше. По некоторым оценкам, они составляют почти 50% всего генома.
Гены распределяются в разные семейства. Помимо примерно 20 тыс. генов, кодирующих белки, большая часть генома содержит регуляторные элементы, которые участвуют в контроле активности генов.
Помимо этого, в геноме еще много всяких часто повторяющихся последовательностей, включая транспозоны (гены-паразиты, кодирующие фермент, благодаря которому они могут встраиваться в геном хозяина и перемещаться по нему), ретровирусы и другие мобильные элементы, способные перемещаться по геному, а также разные нефункциональные псевдогены (остатки каких-то ранее функциональных генов).
— Откуда это все в геноме человека?
— Думаю, что многие из этих элементов являются результатом повторной дупликации и горизонтального переноса генов от других видов.
Кроме этого выяснилось, что у человека есть много генов, которые кодируют РНК, которая не участвует в синтезе белка («некодирующая РНК»), но участвует в регуляции активности генов и многих клеточных процессах. Это разнообразные регуляторные элементы, в том числе очень большой класс коротких или малых РНК, которые содержатся в клетках человека и могут взаимодействовать (интерферировать) с РНК других генов и даже ДНК генома.
— А для чего нужны эти короткие и интерферирующие РНК в клетках человека?
— Как оказалось, они играют громадную роль в регуляции активности генов и в развитии организма, его адаптации к среде. Стало понятно, что у человека, как и у других, более эволюционно продвинутых организмов, взаимодействие со средой гораздо сложнее. Также выяснилось, что короткие РНК играют большую роль во взаимодействии между видами.
— То есть, между бактериями и вирусами? Растениями и насекомыми?
— Именно так. Вначале ученые открыли, что с помощью этих коротких РНК бактерии защищаются от вирусов, растения от насекомых. И возник вопрос: не могут ли вот эти короткие чужеродные РНК, которые синтезируются другим видом, влиять на активность генов организма, в который попадают? То есть не может ли короткий фрагмент РНК, например кукурузы, гриба или бактерии, который полностью не расщепился в желудке человека, попасть в кровь и затем провзаимодействовать с РНК человека?
— И повлиять на организм?
— Стали появляться сообщения, что такие фрагменты могут влиять на регуляцию активности, то есть экспрессии генов хозяина, в частности человека. И таких исследований сейчас сделано уже немало.
— То есть, ответ на вопрос «могут ли» — положительный?
— Сведения очень противоречивые. Но многие работы показывают, что да, могут. Что они образуют такие везикулы, которые могут через мембрану клетки человека попадать внутрь и там взаимодействовать с матричными РНК хозяина, таким образом влияя на активность генов. А они в свою очередь влияют на всякие физиологические реакции, фенотип.
Сейчас вот китайцы большую работу проводят по лекарственным растениям. Раньше было непонятно, почему наблюдается лекарственный эффект, в чем он заключается. А сейчас в некоторых случаях показано, что короткая РНК этих растений влияет на экспрессию генов человека, которые связаны с той или иной патологией, и таким образом оказывает лечебное действие. Если это так, то ведь их можно синтезировать и принимать в виде лекарства.
Выяснив этот механизм, китайцы сейчас уже даже официально регистрируют препараты традиционной китайской медицины, которые раньше считались сомнительными из-за отсутствия объяснения механизма их воздействия.
— Получается, это некая революция в доказательной медицине?
— Да, открывается новый мир. Возможно, существуют механизмы встраивания по аналогии с тем, как это работает у бактерий. То есть чужеродная РНК или ДНК может встраиваться в геном хозяина и потом использоваться в борьбе с этим же чужеродным патогеном.
Более того, если эти элементы встраиваются в половые клетки, то они могут передаваться следующим поколением, то есть может происходить «наследование благоприобретенных признаков» — как это сформулировал французский биолог Жан Батист Ламарк (1744-1829), — автор одного из первых эволюционных учений, согласно которому организмы могут изменять свои признаки в течение жизни, и эти изменения могут передаваться наследственным путем потомству.
Эта теория была впоследствии признана ненаучной, и восторжествовала эволюционная теория Чарльза Дарвина, в основу которой он положил естественный отбор.
На мой взгляд, созрели условия для создания новой синтетической теории эволюции на основе синтеза ламаркизма и дарвинизма. А это изменение парадигмы мышления – то есть настоящая революция в биологии!
— А существуют ли уже научные публикации, которые прямо показывают, что чужеродные РНК из желудка могут встраиваться в человеческий геном?
— Таких публикаций пока нет. Но если рассуждать теоретически, то в организме человека есть все для реализации этого процесса.
Есть и косвенные подтверждения возможности этого – наличие мобильных элементов, транспозонов, ретровирусов, которые могут захватывать и переносить чужеродную ДНК. Гипотетически, обратная транскриптаза (фермент, позволяющей с матрицы РНК синтезировать ДНК) вирусов, попадающая в организм человека при инфицировании, может из фрагментов РНК, попавших в кровь, синтезировать ДНК, которая затем может встроиться в геном человека.
Это может не иметь никакого эффекта, если встраивание произошло в нефункциональные районы генома (наиболее вероятный вариант события), но может быть и по-другому. Тогда возможны как благоприятные, так и неблагоприятные последствия. То есть, ты – то что ты ешь в прямом смысле!
Если такое встраивание произошло в половые клетки, то оно может передаться следующему поколению.
— А аллергия не может быть доказательством того, что чужеродные РНК встраиваются в наш геном?
— Считается, что на саму РНК и ДНК специфической аллергической реакции нет, но если чужеродные РНК и ДНК изменяют свойства клетки или ведут к синтезу каких-то аллергенных продуктов, то теоретически это может, конечно, вызывать аллергические реакции.
— Так может правы противники ГМО, когда они говорят, что фрагменты измененного организма могут встроиться в геном человека?
— Может быть. Впрочем, тут надо понимать, что может встроиться и фрагмент неизмененного организма. То есть, само по себе разницы нет: произошла ли генетическая модификация вследствие употребления ГМО или обычных продуктов.
Допустим, мы съели помидор с генами рыбы. Но мы отдельно едим и помидор, и рыбу. Возможна некоторая аллергическая реакция на белки или другие продукты, которые синтезировались в ГМО благодаря встроенной или измененной ДНК. Например, у человека нет аллергии на помидоры, но есть на орехи. Он съедает помидор с генами от ореха, добавленного для улучшения вкуса, и неожиданно получает сильную аллергическую реакцию, вплоть до смертельно опасного анафилактического шока. Это действительно опасно, но проблема решается простой маркировкой.
— Если действительно существует этот механизм встраивания, то как будет выглядеть наш мир, по-новому осознанный нами?
— Это дает новый взгляд на эволюцию, доказывая, что она шла не только вертикально, но и горизонтально. Существуют связи между совершенно отдаленными видами. Впрочем, очевидно, что такие встраивания случаются очень редко, и еще гораздо реже передаются потомству и сохраняются в следующих поколениях. Поэтому так мало фактов это документирущих.
— Но ведь есть примеры захвата целых геномов. В клетках высших организмов помимо ядерного генома есть и митохондриальный геном. Митохондрия ведь была бактерией?
— Да, она была бактерией со своим собственным геномом. Недаром мы говорим, что у человека два генома – ядерный и митохондриальный, — передающийся только по материнской линии.
У растений есть еще один отдельный геном — хлоропластный, — это бывшая древняя цианобактерия. Сначала был симбиоз, а потом она в процессе эволюции вообще потеряла свою самостоятельную роль как отдельного организма и стала постоянным внутриклеточным паразитом. Но в хорошем смысле, полезным.
— Огромная часть человеческого генома, которая непонятно за что отвечает, может состоять из встроившихся разных чужеродных ДНК?
— Конечно. Какая-то ее часть удаляется, какая-то сохраняется случайно, если не влияет на приспособленность организма, какая-то может даже сыграть положительную роль и закрепиться, став уже постоянной частью генома.
— Почему же до сих пор не существует научных работ, которые доказали бы факт такого встраивания?
— Как и многие другие эволюционные события, например мутации, они редкие. Поэтому в эксперименте это очень сложно показать.
Предположим, ты покормил животное чем-то, что потом пытаешься найти в его клетках. Но для этого надо секвенировать отдельные клетки. Такая технология уже есть, но она очень сложная, дорогая. Допустим, это редкое событие встраивания произошло только в одной из 1 млн клеток. Необходимо отсеквенировать 1 млн клеток, чтобы обнаружить это встраивание. Это будет стоить где-то миллиард долларов, кто же себе такое может позволить?
Поэтому зарегистрировать непосредственно само событие спонтанного встраивания технически пока практически невозможно. Но это можно обнаружить, если это произошло в предыдущих поколениях, передалось потомству и присутствует уже во всех клетках.
Что касается влияния коротких чужеродных РНК на активность генов внутри клетки человека, то это уже можно считать доказанным. Как часто и при каких условия – это покажут дальнейшие исследования, но это уже научный факт, который заставляет по-другому посмотреть на мир.