Книга: Людський суперорганізм
генний обмін
Одне з головних недавніх відкриттів в біології - здатність організмів обмінюватися генами. Хто б міг уявити таке. Ті самі частинки, які, як ми звикли вважати, роблять нас людьми і визначають наші відмінності від інших істот, насправді є предметом купівлі-продажу і просто обміну на свого роду ринку-товкучці. Виявляється, їх можна продавати, немов товари на ринку, або просто віддавати в дар.
Дослідники, які вивчають генний обмін, насамперед намагаються з'ясувати походження того чи іншого гена - з'явився він в результаті обміну? Це майже рівнозначно спробі визначити, від яких далеких предків беруть початок всі гени, наявні сьогодні в наших хромосомах. А це, на мій погляд, все одно що по черзі розглядати всіх сучасних жителів США і намагатися відповісти на питання: де була батьківщина найдавніших предків всіх цих людей? США - це плавильний котел багатьох народів, які століттями мігрували з інших регіонів, країн і частин світу в певну географічну область Північної Америки. Ця міграція триває і в наші дні. Більшість предків людей, що проживають сьогодні в США, спочатку жили в інших частинах світу, і, відповідно, більшість їх генів також мають іноземне походження. Люди можуть рухатися і переміщатися з одних місць в інші. Такий же здатністю, виявляється, наділені і гени. А тому головною темою цієї глави буде переміщення.
Перш за все слід визначити, які біологічні структури мають мікробне походження, а які властиві нам як представникам групи ссавців. Як зазначалося в попередньому розділі, одне з найбільших відкриттів XX ст. в області біології було пов'язано з нагадують бактерій крихітними «енергетичними станціями» наших клітин - мітохондріями. Ці органели знаходяться в цитоплазмі - драглистому речовині клітини, що оточує ядро. На думку більшості сучасних учених, мітохондрії - це залишки древніх мікробів (бактерій), яких в незапам'ятні часи якимось чином поглинули наші предкові клітини, тому що ці бактерії могли використовувати кисень для вироблення енергії, а клітини-загарбники цього робити не могли. Мітохондрії дозволили цим клітинам використовувати більш різноманітні джерела енергії, а про користь диверсифікація джерел енергії говорить хоча б той факт, що сьогодні це одна з головних новинних тем у глобальному масштабі: щоб захистити Землю від екологічної катастрофи, різні країни світу намагаються освоїти альтернативні способи отримання енергії . А якщо мітохондрії походять від мікробів, то і містяться в них гени спочатку були мікробними генами. Ядро ж - головна структура наших клітин - на всі 100% дісталося нам від ссавців. І що містяться в ядрі хромосоми ніколи не компрометували себе міжвидовими обмінами і трансферами. Або все-таки компрометували?
Головний спосіб, за допомогою якого наші хромосоми можуть придбати ген від організму іншого виду, являє собою процес, який отримав назву горизонтального переносу генів. В результаті цього процесу організм одного виду передає частину генетичного матеріалу знаходиться по сусідству організму іншого виду (такими організмами можуть бути істоти різних видів, що живуть усередині суперорганізму). Горизонтальний перенос генів може бути одностороннім або двостороннім, тобто приймати форму обміну генами. Нерідко в результаті такого обміну один вид отримує переваги дуже швидко, а інший - повільно. Це нагадує ситуацію, коли банк одноразово надає клієнту всю суму грошей, необхідну для покупки нового будинку (початкове перевага для клієнта-позичальника), але потім новий домовласник змушений протягом десятиліть погашати свій борг, включаючи виплату відсотків (довгострокову перевагу для банку).
Горизонтальний перенос генів здійснюється протягом життя одного покоління живих організмів. Цим він відрізняється від вертикального перенесення генів, який відбувається під час розмноження і передбачає перенесення генів між поколіннями - від батьків потомству. При вертикальному перенесення генів у людей мати і батько передають свої хромосоми (через яйцеклітину і сперматозоїд) майбутній дитині, що розвивається із заплідненого яйця (зиготи). Крім того, під час пологів мати передає дитині свій мікробіом: так здійснюється вертикальний перенесення мікробних генів. Вертикальний перенесення генів, про який вчені знають давно, довгий час вважався єдиним способом передачі генетичного матеріалу. Горизонтальний перенос генів став відомий науці порівняно недавно. Цей принципово інший процес передбачає міжвидові «перескакування» генів. На перший погляд він нагадує просте міжвидові «рукостискання», але насправді трохи складніше і загадковіше.
У 1950 р випускниця Корнельського університету, генетик Барбара МакКлінток, показала, що гени і справді мають рухливість, можуть «стрибати» і міняти своє місце розташування - по крайней мере на хромосомах в межах клітинного ядра. Пройшли десятиліття, перш ніж це революційне відкриття було в повній мірі оцінений вченими і удостоєно Нобелівської премії. Але, якщо гени й справді такі стрибучі, чи не можуть вони перескакувати між клітинами організмів різних видів?
Виявляється, людське тіло - надзвичайно зручна конструкція для горизонтального переносу генів. Було встановлено, що мікроби, що входять до складу нашого мікробіома, використовують в якості «товкучки» для обміну генами кишечник. Лише зовсім недавно вчені виявили, що різні види бактерій, що живуть в одному і тому ж місці людського тіла, час від часу обмінюються один з одним своїми генами. Але чи може горизонтальний перенос генів здійснюватися в тому випадку, якщо реципієнтом генів є складно влаштований організм - рослина, тварина або навіть людина?
У людському геномі (тобто геномі, властивому нам як ссавців), були ідентифіковані десятки або навіть сотні чужорідних генів - ймовірно, мікробного походження; схоже, багато хто з них кодують білки з унікальною ферментної активністю. Завдяки таким функціям ці мікробні гени наділяють наші клітини здібностями до утилізації хімічних речовин, які в іншому випадку у них просто були відсутні б. Присутність мікробних генів в наших хромосомах викликає ряд важливих питань. Чи вписується міжвидової горизонтальний перенос і скачки генів в дарвиновскую теорію еволюції? Чи має право «древо життя», що відображає родинні узи між видами і хід еволюції, на існування в своєму звичному вигляді або ж воно являє собою щось інше? Бути може, воно більше схоже на розлогі дерева пекана або волоського горіха, суцільно обплутане величезними павутинними гніздами гусениць білого американського метелика (Hyphantria cunea)? А якщо так, то яка частина цієї «конструкції» доводиться на дерево, а яка - на павутину гусениць?
Горизонтальний перенос генів від мікробів людині - порівняно недавнє відкриття, і ніхто ще повністю не впевнений, що цей механізм - єдине пояснення присутності мікробних генів в людському геномі. Але свідчення про існування обміну генами між мікробами, з одного боку, і рослинами і тваринами, з іншого, настільки переконливі, що виключення людей з цього широко поширеного біологічного процесу було б явною натяжкою, що межує з допущенням, що в біологічному плані люди не мають нічого спільного з більшістю тварин. Сьогодні більшість дебатів з цього приводу стосується часу, коли відбувалися такі переноси генів, і видового спектру хребетних, яких вони торкнулися.
Древній перенесення генів від мікробів в хромосоми наших предків-ссавців означає, що деякі з приблизно 1% людських «ссавців» генів насправді не мають ніякого відношення до ссавців. Принаймні деякі з тих генів, що присутні сьогодні в наших хромосомах, потрапили в них з мікробів. Таким чином, чим глибше ми вдивляємося всередину себе, тим менше залишається від нас «людського», того, що не зазнало б на собі впливу мікроорганізмів. Але якщо ці запозичені у мікробів гени дозволили нам виконувати корисні, раніше недоступні для нас функції, отже, і ці функції, по суті справи, теж мають мікробне походження. Таким чином, генний обмін, що забезпечив наші людські клітини генами мікробного походження, зробив кордон між тією частиною нашого організму, яка властива нам як ссавців, і нашим мікробіома вельми розпливчатою.