Горизонтальный перенос генов осуществляется на протяжении жизни одного поколения живых организмов. Этим он отличается от вертикального переноса генов, который происходит во время размножения и предполагает перенос генов между поколениями — от родителей потомству. При вертикальном переносе генов у людей мать и отец передают свои хромосомы (через яйцеклетку и сперматозоид) будущему ребенку, развивающемуся из оплодотворенного яйца (зиготы). Кроме того, во время родов мать передает ребенку свой микробиом: так осуществляется вертикальный перенос микробных генов. Вертикальный перенос генов, о котором ученые знают давно, долгое время считался единственным способом передачи генетического материала. Горизонтальный перенос генов стал известен науке сравнительно недавно. Этот принципиально иной процесс предполагает межвидовое «перескакивание» генов. На первый взгляд он напоминает простое межвидовое «рукопожатие», но на самом деле немного сложнее и загадочнее.
В 1950 г. выпускница Корнеллского университета, генетик Барбара Макклинток, показала, что гены и в самом деле обладают подвижностью, могут «прыгать» и менять свое местоположение — по крайней мере на хромосомах в пределах клеточного ядра. Прошли десятилетия, прежде чем это революционное открытие было в полной мере оценено учеными и удостоено Нобелевской премии. Но, если гены и впрямь такие прыгучие, не могут ли они перескакивать между клетками организмов разных видов?
Предварительные результаты, опубликованные в 1950-х гг., показали, что такой процесс и в самом деле возможен между некоторыми бактериями, одной из которых является возбудитель дифтерии — дифтерийная палочка (Corynebacterium diphtheriae). Гены, перенесенные в этот микроб бактериальными вирусами бактериофагами, влияли на его вирулентность, то есть способность вызывать болезнь. Позднее ученые обнаружили, что бактериофаги могут переносить между бактериями различных видов и гены, обеспечивающие устойчивость микробов к антибиотикам.
Оказывается, человеческое тело — необычайно удобная конструкция для горизонтального переноса генов. Было установлено, что микробы, входящие в состав нашего микробиома, используют в качестве «толкучки» для обмена генами кишечник. Лишь совсем недавно ученые обнаружили, что различные виды бактерий, живущие в одном и том же месте человеческого тела, время от времени обмениваются друг с другом своими генами. Но может ли горизонтальный перенос генов осуществляться в том случае, если реципиентом генов является сложно устроенный организм — растение, животное или даже человек?
Вопрос о горизонтальном переносе генов у высших организмов, включая людей, дискутируется уже более десятилетия; одновременно обсуждаются и предположения, происходит ли при этом обмен генами или их однонаправленный перенос. В 2005 г. был продемонстрирован горизонтальный перенос генов между двумя видами растений — рисом и просом. Рис рисом — а как насчет людей? Могут ли микробные гены не только обосновываться в человеческих хромосомах, но и передаваться затем от родителя к ребенку во время размножения? В одном из наиболее убедительных на сегодняшний день исследований группа ученых из Кембриджского университета под руководством Алестера Криспа сфокусировала внимание на человеческих генах, обладающих замечательным сходством с генами бактерий, архей и грибов.
В человеческом геноме (то есть геноме, свойственном нам как млекопитающим), были идентифицированы десятки или даже сотни чужеродных генов — вероятно, микробного происхождения; похоже, многие из них кодируют белки с уникальной ферментной активностью. Благодаря таким функциям эти микробные гены наделяют наши клетки способностями к утилизации химических веществ, которые в противном случае у них попросту отсутствовали бы. Присутствие микробных генов в наших хромосомах вызывает ряд важных вопросов. Вписывается ли межвидовой горизонтальный перенос и скачки генов в дарвиновскую теорию эволюции? Имеет ли право «древо жизни», отображающее родственные узы между видами и ход эволюции, на существование в своем привычном виде или же оно представляет собой нечто иное? Быть может, оно больше похоже на раскидистое дерево пекана или грецкого ореха, сплошь опутанное огромными паутинными гнездами гусениц белой американской бабочки (Hyphantria cunea)? А если так, то какая часть этой «конструкции» приходится на дерево, а какая — на паутину гусениц?
Горизонтальный перенос генов от микробов человеку — сравнительно недавнее открытие, и никто еще полностью не уверен, что этот механизм — единственное объяснение присутствия микробных генов в человеческом геноме. Но свидетельства о существовании обмена генами между микробами, с одной стороны, и растениями и животными, с другой, настолько убедительны, что исключение людей из этого широко распространенного биологического процесса было бы явной натяжкой, граничащей с допущением, что в биологическом плане люди не имеют ничего общего с большинством животных. Сегодня большинство дебатов по этому поводу касается времени, когда происходили такие переносы генов, и видового спектра позвоночных, которых они затронули.
Древний перенос генов от микробов в хромосомы наших предков-млекопитающих означает, что некоторые из приблизительно 1 % человеческих «млекопитающих» генов на самом деле не имеют никакого отношения к млекопитающим. По крайней мере некоторые из тех генов, что присутствуют сегодня в наших хромосомах, попали в них из микробов. Таким образом, чем глубже мы всматриваемся внутрь себя, тем меньше остается от нас «человеческого», того, что не испытало бы на себе влияния микроорганизмов. Но если эти заимствованные у микробов гены позволили нам выполнять полезные, прежде недоступные для нас функции, значит, и эти функции, по сути дела, тоже имеют микробное происхождение. Таким образом, генный обмен, снабдивший наши человеческие клетки генами микробного происхождения, сделал границу между той частью нашего организма, которая свойственна нам как млекопитающим, и нашим микробиомом весьма расплывчатой.
Переключения генов
Без преувеличения можно сказать, что механизмы, управляющие переключениями генов, отвечают практически за все события, происходящие в клетке. Когда в 1990-х гг. близился к завершению проект «Геном человека», расхожим стало представление о том, что гены определяют не только нашу принадлежность к человеческому роду, но и нашу внешность, личность и здоровье. Возможно, вам доводилось слышать о гене преступности, гене гомосексуальности и даже о гене интеллекта. Эти качества человека вместе с другими его характеристиками составляют то, что биологи называют фенотипом — совокупность всех различимых, измеряемых и поддающихся наблюдению признаков человека. К числу таких характеристик относятся как признаки, которые мы можем видеть воочию (например, цвет глаз, рост и черты лица), так и признаки, которые не проявляются внешне, но поддаются измерению (размеры сердца, активность щитовидной железы, скорость метаболизма, биохимические показатели). Биологи установили, однако, что фенотип далеко не всегда определяется унаследованными генами и различными формами генов (так называемых аллелей). Это обстоятельство они объясняли взаимодействиями между генами и некоторыми внешними влияниями. Но все это — из области «старой» биологии. Сегодня мы всё лучше понимаем, что одно только присутствие гена лишь в слабой степени определяет то, как, когда и в какой мере он будет использован. На самом деле все зависит от того, окажется ли этот ген во «включенном» (активном) состоянии и когда произойдет это включение. В большинстве случаев, если ген просто «сидит» в хромосоме и не используется, никакой пользы от него нет. Механизмы изменения активности генов и управления ими получили название «эпигенетики». Эти механизмы и составляют ключевой компонент новой биологии.
