Якби в нашому геномі було менше марного сміття, кожному з нас довелося б неабияк потрудитися на ниві розмноження, щоб позбавити прийдешні покоління від шкідливих мутацій.
Наша ДНК зберігає інформацію про всі білки, які складають наше тіло і які виконують в ньому всю молекулярну роботу: синтезують ліпіди для клітинних мембран, переносять кисень, перетравлюють їжу тощо.
Різноманітних молекулярних, клітинних, фізіологічних процесів у нашому тілі відбувається дуже багато, відповідно, білків - теж величезна кількість, і можна було б очікувати, що геном людини доверху забитий білковими кодами. Однак насправді інформаційна частина в нашій ДНК, можна сказати, нікчемна - менше 2%.
Звичайно, не варто забувати про регуляторні послідовності - адже гени повинні включатися і вимикатися в строго певний час і в строго визначені обставинах. Дійсно, для регуляції генетичної активності в ДНК є спеціальні включники-вимикачі, які знову ж являють собою особливі послідовності нуклеотидів: вони не кодують жодних білків, але все ж назвати їх безглуздими не можна - без них генетична машина просто не могла б працювати.
Нарешті, в ДНК є ділянки, які кодують різноманітні службові РНК. Зазвичай про молекули РНК говорять як про посередників між геном і білок-синтезуючою машиною: по суті, РНК являє собою як би відбиток з гена, і білок синтезується саме на РНК-відбитку. Але це лише один з різновидів РНК під назвою матричний, або інформаційний РНК.
Є й інші, які працюють самі по собі - одні, наприклад, можуть об'єднуватися з білками і функціонувати у вигляді величезних молекулярних комплексів (як рибосома), інші ж виконують регуляторні функції, керуючи синтезом тих чи інших білків. Однак навіть з урахуванням усіх таких випадків частка безглуздого сміття, яке нічого не кодує і нічого не регулює, в людській ДНК залишається дуже великою - близько 90%.
Не можна сказати, щоб ми зовсім не розуміли, звідки це сміття могло взятися. Є на світі мобільні генетичні елементи, або транспозони, які часто походять від вірусів - мобільними їх називають тому, що вони можуть копіювати себе всередині геному, наводнюючи ДНК власними «нащадками».
Транспозони клітина намагається знешкодити - якщо який-небудь з них стрибне всередину важливого гена, все може закінчитися дуже сумно. Так що генетичне сміття багато в чому сформоване такими знешкодженими генетичними елементами. З іншого боку, в геномі є багато копій звичайних, немобільних послідовностей, які з'явилися в результаті особливостей роботи молекулярних машин.
Копія гена може стати корисною, а може, навпаки, нахапати стільки мутацій, що повністю виходить з ладу. Прибрати ж з геному сміття не завжди можливо: є ризик, що при цьому зникне і шматок потрібної ДНК, що абсолютно неприпустимо.
І все ж не всі біологи вважають генетичне сміття - сміттям (при тому час від часу з'являються повідомлення про те, що для якоїсь чергової сміттєвої послідовності знайшли якусь функцію). Наймасштабнішу спробу надати сміттю сенс зробили кілька років тому дослідники з міжнародного проекту ENCODE («Енциклопедія елементів ДНК»), які заявили, що 80% ДНК в нашому геномі функціональні, тобто мають сенс і необхідні для життєдіяльності.
Робота наробила багато галасу, і відразу ж після її виходу у світ до проекту ENCODE висунули серйозну методологічну претензію. Суть її в тому, що ENCODE вже дуже широко трактували поняття функціональності. Дослідники оцінювали корисність тієї чи іншої послідовності ДНК за кількома критеріями: вона повинна була давати РНК-копію, з нею повинні були взаємодіяти регуляторні білки, на ній повинні були бути регуляторні молекулярні мітки, оскільки за логікою ENCODE регуляції підлягає тільки те, що затребуване, тобто має якусь корисну функцію.
Однак жодна з вищевказаних ознак, на думку скептиків, насправді не говорить про функціональність. Як наочну аналогію можна пропонує представити сарай, набитий всяким непотребом: ми можемо час від часу заглядати в нього, перебирати те, що там звалено, бачити якісь мітки, на кшталт «не кантувати» або «вогненебезпечно», але це не означає, що ми цим користуємося.
Один з найактивніших критиків, Ден Граур (Dan Graur) з Х'юстонського університету, зауважив тоді, що дослідники з ENCODE взагалі могли б довести частку функціональної ДНК до 100%, а не до 80%, якби взяли за критерій функціональності реплікованість ДНК. Реплікація - подвоєння всієї ДНК в клітці перед поділом, під час розмноження клітина передає повну копію геному дочірнім клітинам, і чому б звідси не зробити висновок, що все це навіщось потрібно?
Однак проти «тотальної функціоналізації» ДНК є й інший, більш простий аргумент, який Ден Граур детально описує у своїй останній статті в Genome Biology and Evolution. ДНК, як ми знаємо, постійно мутує, як через помилки наших власних молекулярних машин, які з нею працюють, так і через зовнішні причини, на кшталт СФ-випромінювання.
Мутації можуть бути корисними, які покращують функцію якого-небудь білка, нейтральними або ж шкідливими, які роблять білок марним, а то й небезпечним; те ж стосується і регуляторних послідовностей. Корисні мутації виникають набагато рідше, ніж шкідливі і нейтральні. Звичайно, в клітинах працюють спеціальні білки, які виправляють похибки в геномі, але і у них є свій відсоток помилок, так що якісь дефекти все одно залишаються з нами.
Батьки передають дітям повні копії своїх геномів з усіма мутаціями, які вони встигли отримати до того часу. Якщо мутація виявилася шкідливою, дитина може взагалі не з'явитися на світ, або важко захворіти незабаром після народження. Так чи інакше, свого потомства він вже не залишить, а це означає, що шкідлива мутація зникне з популяції.
Відносний шанс мають тільки помірно шкідливі дефекти, які дають шанс перетворитися на дорослу людину і народити дітей. Зрозуміло, що якщо мутації раптом з якоїсь причини починають траплятися дуже часто, у пари стає все менше шансів народити здорову дитину - або ж, інакше кажучи, їм потрібно дуже постаратися і зробити якомога більше спроб, щоб цей шанс реалізувати.
Але ймовірність народити здорову дитину залежить не тільки від інтенсивності мутаційного процесу. Якщо мутації відбуваються, що називається, в штатному режимі, то варто подивитися, куди вони потрапляють - в смислову або сміттєву послідовність.
Очевидно, що чим більше в геномі важливих, функціональних послідовностей, тим більша ймовірність того, що мутація зробить щось не те. Таким чином, чим більш «змістовна» ДНК, тим більша ймовірність того, що здорової дитини не вийде. Саме в цьому і полягає сенс роботи Граура: він з колегами порахував, скільки дітей повинна народити одна пара, щоб при стандартній інтенсивності мутування справити на світ кілька здорових дітей - за умови, що весь геном функціональний, важливий тощо.
Так от, число дітей, яких за таких умов вичистить природний відбір, становить 100 млн - це, підкреслюємо, від однієї пари. Якщо ж геном функціональний не повністю, а на чверть, то кожна пара повинна народити чотирьох дітей, з яких двоє доживуть до дорослого віку і народять власне потомство; двоє ж інших помруть через небезпечні мутації, що потрапили до функціональних 25% ДНК.
Загалом у нас є цілком достовірні оцінки того, як людина розмножувалася в ході своєї еволюції, і, поєднуючи дані про людську плідність з інтенсивністю мутацій, Граур з колегами вирахував, що в нашому геномі «послідовності зі змістом» повинні займати від 8% до 14%. І з такими відсотками згодні навіть ті, хто вважає, що ми знайдемо в нашій ДНК ще багато ділянок, які нічого не кодують, але багато чого регулюють - навіть з такими майбутніми регуляторними послідовностями велика частина геному все одно залишиться сміттєвою.
При цьому не можна сказати, що наше нинішнє генетичне сміття так завжди і буде сміттям. Може виявитися так, що якісь із нефункціональних послідовностей у перспективі зможуть знайти «сенс життя», тобто перетворяться на регуляторні елементи.
Та й загалом сміття може бути корисним саме своїми розмірами - воно зменшує ймовірність того, що мутація потрапить у важливу область ДНК, або що прийшлий вірус, здатний вбудовуватися в господарський геном, вбудується в дуже потрібний ген і тим самим порушить його функції.
Що стосується проекту ENCODE, то їм, якщо не брати до уваги дуже сміливого висновку про 80-відсоткову функціональність геному, вдалося зробити багато потрібного і корисного - зокрема, дослідники ENCODE отримали масу даних про те, як різні білки зв'язуються з ДНК і як відбувається регуляція генів.