Как все мы знаем со школьной скамьи, клетка — это основная единица жизни, а одна из самых важных ее составляющих — генетическая. Как в компьютерную программу, в геном записана насущная информация обо всех клеточных характеристиках. Однако гены не «говорят» все одновременно: с помощью эпигенетической регуляции из множества генов работают только те, которые должны функционировать в конкретной клетке в нужный момент. Таким образом, геном — это лишь часть своеобразной компьютерной программы, контролирующей клеточную жизнь.

Для биологов не секрет, что у человека всего несколько процентов всей ДНК — экзоны (то есть участки, кодирующие белки). Функции же остальной его части активно изучаются и обсуждаются [1]. И хотя о том, что эта «мусорная ДНК» — вовсе не бесполезные повторяющиеся последовательности [2–4], стало известно достаточно давно, пока что научный мир многого не знает о функциях этой «темной генетической материи» [5].

Последовательности генома человека [6] и многих других животных, растений и бактерий уже расшифрованы: со списком можно ознакомиться, например, на сайте Ensembl. В связи с этим встает вопрос: а можно ли «собрать» геном, как конструктор, оставив там только все самое нужное, а мусор, по возможности, «подмести», и получить простейшую функционирующую клетку? Оказалось, что да: целые геномы могут быть построены из химически синтезированных олигонуклеотидов.

В 2010 году ученые из института Крейга Вентера совершили прорыв и создали первые в мире микроорганизмы с синтетическим геномом, «сотворенным» по образу и подобию генома бактерии Mycoplasma mycoides [7]. Два года назад другой лаборатории под руководством Джефа Боеке (Jef D. Boeke) удалось сделать синтетическую эукариотическую хромосому дрожжей и даже усовершенствовать ее [8], [9].

Эти достижения породили общественное обсуждение того, что люди (по крайней мере, некоторые из них) всерьез состязаются в своих возможностях с богом, и скоро, возможно, переплюнут его: он-то создавал жизнь в явно добиотическую эпоху, когда сделать это было существенно проще, и времени на подготовку экспериментов у него было не в пример больше [10].

А все началось с того, что в 1984 году Моровитц (Morowitz) в качестве модели для понимания основных принципов жизни предложил использовать микоплазмы. Через 11 лет исследователи из института Крейга Вентера отсеквенировали геном Mycoplasma genitalium, в котором оказалось всего 525 генов. Отсеквенировав геном Haemophilus influenzae с 1815 генами и сравнив его с микоплазмой, ученые выяснили, что общих генов у этих бактерий 256. Исследователи предположили, что это и есть минимальный набор генов для функционирования клетки. Позже, в 1999 году, ученые того же института показали, что большинство этих генов не являются обязательными для роста клеток в лабораторных условиях [11]. Но каков же тогда минимальный размер генома, нужный простейшей клетке для жизни?

Эволюция микоплазм

У исследователей было несколько причин проводить свою работу на микоплазмах. Самая главная из них — что у этих микроорганизмов уже очень маленький геном, который сформировался в процессе эволюции.

Чтобы выжить в природе, бактериальные клетки должны подстраиваться под постоянно меняющиеся условия окружающей среды. У таких хорошо изученных бактерий как Bacillus subtilis и Escherichia coli около 4000–5000 генов, и многие из них позволяют адаптироваться под конкретные внешние условия. У других же бактерий, растущих в постоянных условиях, размер генома в процессе эволюции сократился. «Потерялись» именно те гены, которые не были насущно необходимыми при постоянных показателях окружающей среды.

То же самое произошло и с микоплазмами. Они утратили большую часть генома, унаследованную от своих дальних предков — грамположительных бактерий — за ненадобностью: став паразитами млекопитающих, они обеспечили себе стабильные условия окружающей среды. Раз они так далеко продвинулись по тернистому пути эволюции, то было бы логично предположить, что у них меньше «ненужных» генов для подстраховки, чем у других бактерий.

Семь раз отмерь, один раз отрежь

Создать геном минимального размера вовсе не так просто, как кажется. Нельзя просто взять и вырезать все те гены, которые, казалось бы, не задействованы в поддержании функций клетки. Как показывает практика, существует еще особая категория генов — квази-необходимые (quasi-essential), которые не являются абсолютно обязательными для жизнеспособности клеток, но при этом необходимы для их устойчивого роста. Поэтому при процессе насильственного «похудения» генома надо соблюдать баланс между размером генетического материала и скоростью роста клеток.

Прославленный молекулярный биолог Крейг Вентер (J. Craig Venter) и его команда только что опубликовали работу, в которой описан бактериальный геном JCV-syn3.0 минимально возможного размера — всего 473 гена (531 кб) [12]. Этот геном меньше, чем у любой автономно реплицирующийся клетки, обнаруженной в природе до сегодняшнего дня. Биологическая функция 149 генов (около трети!) из минимального генома до сих пор не известна, но без них клетки не делятся.

Чтобы идентифицировать несущественные для жизнедеятельности и роста гены, команде ученых пришлось сильно постараться и задействовать множество методов. Первоначальная методика с использованием фундаментальных знаний молекулярной биологии не привела к созданию жизнеспособной клетки. Ученым пришлось усовершенствовать метод транспозонного мутагенеза [13], в результате чего они выявили именно те гены, которые нужны для устойчивого роста. Спустя еще несколько раундов древнего метода проб и ошибок был получен геном JCVI-syn3.0 . Для оценки жизнеспособности построенную «конструкцию» — синтезированный геном — встраивали и тестировали в дрожжевых клетках.

Как именно осуществляют химический синтез целого генома, читайте в статьях «Жизнь в эпоху синтетической жизни» и «Создано первое живое существо с синтетическим геномом» [10], [11].

В конечную последовательность вошли гены, участвующие в ключевых процессах жизнедеятельности. В первую очередь, это гены, отвечающие за экспрессию и сохранение генома, а также те, чьи продукты вовлечены в транскрипцию, трансляцию, метаболизм РНК, процесс сворачивания белков, репликацию, репарацию и метаболизм ДНК, сегрегацию хромосом, деление клеток и т.п. На эту группу приходится почти половина (229) всех генов сконструированного генома. Кроме того, часть генов связана с цитозольным метаболизмом и с процессами поддержания структуры клеточных мембран и их функциями.

От познания к созиданию

Главная цель геномики — уже не медитативное составление описей генома вместе с секвенированием и анализом. Теперь человечество переходит к активной фазе: с помощью химического синтеза мы можем создавать жизнь. JCVI-syn3.0, например, — это универсальная платформа для изучения основных функций жизни клетки и для изучения работы всего генома. Хотя это радует не всех — как с экономически-политической, так и с этической точек зрения. Но не будем об этом: лучше продолжим следить за цепью интереснейших открытий, которые делают биологи из исследовательского института Крейга Вентера.

Литература

1. Patrushev L.I. and Kovalenko T.F. (2014). Functions of noncoding sequences in mammalian genomes. Biochemistry (Moscow). 79, 1442–1469;
2. Nageshwaran S. and Festenstein R. (2015). Epigenetics and triplet-repeat neurological diseases. Front. Neurol. 6, 262;
3. «Мусорная» ДНК управляет эволюцией млекопитающих?;
4. Сколько сора в нашей ДНК;
5. Kellis M., Wold B., Snyder M.P., Bernstein B.E., Kundaje A., Marinov G.K. et al. (2014). Defining functional DNA elements in the human genome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111, 6131–6138;
6. Геном человека: как это было и как это будет;
7. Gibson D.G., Glass J.I., Lartigue C., Noskov V.N., Chuang R.Y., Algire M.A. et al. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 329, 52–56;
8. Annaluru N., Muller H., Mitchell L.A., Ramalingam S., Stracquadanio G., Richardson S.M. et al. (2014). Total synthesis of a functional designer eukaryotic chromosome. Science. 344, 55–58;
9. Синтетическая хромосома;
10. Жизнь в эпоху синтетической жизни;
11. Элементы: «Создано первое живое существо с синтетическим геномом»;
12. Hutchison C.A. 3rd, Chuang R.Y., Noskov V.N., Assad-Garcia N., Deerinck T.J., Ellisman M.H. et al. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science. 351, aad6253;
13. Hutchison C.A., Peterson S.N., Gill S.R., Cline R.T., White O., Fraser C.M. et al. (1999). Global transposon mutagenesis and a minimal Mycoplasma genome. Science. 286, 2165–2169.