Жизненно важные гены дрожжей почти наполовину можно заменить близкими им генами человека.
В биологии есть несколько организмов, которые служат модельными объектами – на них выполняется огромное число экспериментов в генетике, биотехнологии и т. д. Дрожжи, нематода Caenorhabditis elegans, муха дрозофила, растение Arabidopsis thaliana – вот одни из самых популярных «рабочих лошадок» современной науки. Часто бывает так, что результаты, полученные на дрожжах или дрозофилах, распространяются на всех прочих эукариот, включая нас с вами. И обычно тут же возникает возражение – между нами и дрожжами лежит огромная эволюционная пропасть (наш последний общий предок с этими грибами жил около миллиарда лет назад); разница между многоклеточным животным с развитой нервной системой и одноклеточным грибом видна, что называется, невооружённым глазом. Можно ли по процессам, которые происходят в дрожжевой клетке, судить о том, что происходит в клетках человека?
На редкость убедительный ответ здесь дали сотрудники Техасского университета в Остине, попросту пересадившие несколько сотен человеческих генов в дрожжи. Известно, что при сравнении дрожжевого и человеческого геномов можно найти много похожих друг на друга последовательностей. Но следует ли отсюда, что они взаимозаменяемы? Эдвард Маркотт (Edward Marcotte) и его коллеги выбрали ряд генов, которые, во-первых, присутствовали в геноме дрожжей в одной копии, во-вторых, были абсолютно необходимы для клетки. Если такой ген выключить, то дрожжи гибнут – но можно ли спасти их от гибели с помощью человеческой ДНК?
Всего генетических пересадок было сделано более 400, и в 43% человеческие гены действительно спасали клетки грибов, позволяя им дальше жить и размножаться. Подобные эксперименты делали и раньше (хотя не в таком масштабе), и, с учётом данных, полученных в более ранних исследованиях, доля заменяемых генов увеличивается до 47%. Пересадке подвергались только те последовательности, которые кодировали какие-нибудь белки, и авторы работы попробовали сравнить их по последовательностям аминокислот. Как и ожидалось, среди взаимозаменяемых пар оказались те, которые наполовину и более были похожи своими аминокислотными последовательностями. С другой стороны, в промежутке сходства от 20% до 50% доля этого самого сходства никак не совпадала с вероятностью того, что ген (белок) человека сможет успешно заменить своего «коллегу» в дрожжах. Иными словами, 25-процентное сходство было неотличимо от 35-процентного.
Однако был другой критерий, который с большей надёжностью позволял судить о вероятности успешной замены. Если белок имел отношение к синтезу стеролов или, например, входил в протеасомный комплекс, который занимается утилизацией белкового мусора в клетке – то в таком случае человеческий ген мог легко заменить дрожжевой. Если же речь шла о репликации или репарации ДНК, то тут замены быть не могло. Иными словами, большую роль играло то, насколько эволюционно разошлись собственно молекулярные процессы в целом, так что различия в последовательности аминокислот следует соотносить с различиями, возникшими во всём комплексе межмолекулярных реакций и взаимодействий. Статья с результатами опубликована в журнале Science.
С практической точки зрения новые данные могут иметь большое значение для медицины. В наших генах есть индивидуальные особенности, которые в общем называются однонуклеотидным полиморфизмом: например, в одном и том же положении в одном и том же гене у вас может стоять генетическая буква А (азотистое основание аденин), а у вашего друга – буква G (азотистое основание гуанин). Такие расхождения не обязательно приводят к полному отключению белка, кодируемого геном, но могут повлиять на некоторые его функции. Но отследить все молекулярные последствия всех вариантов полиморфизма в человеческом организме невозможно – зато это можно сделать в клетках дрожжей, снабдив их полиморфными генами и проследив, как их белки будут взаимодействовать, например, с какой-нибудь лекарственной молекулой.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение