Мартин и Кунин обратились к странному устройству эукариотических генов, «разбитых на кусочки». Открытие такого их строения было одним из самых больших сюрпризов, преподнесенных биологами в XX веке. В отличие от бактериальных генов, выстроенных как по линейке, эукариотические гены состоят из отдельных фрагментов, разделенных длинными некодирующими последовательностями. Эти некодирующие последовательности называют интронами (introns, от англ. ingragenic regions — внутригенные участки), и их эволюционная история лишь недавно стала проясняться.
Хотя между интронами немало различий, теперь известно, что у них имеются некоторые общие черты, выдающие их общее происхождение от одной из разновидностей «прыгающих» генов (транспозонов), способных заражать геном, реплицируясь с бешеной скоростью, то есть ведя себя как настоящие эгоистичные гены. Фокус довольно прост: когда «прыгающий» ген считывается на РНК (обычно в составе более длин ной последовательности), он самопроизвольно сворачивается, образуя структуру, работающую как РНК-«ножницы», и вырезает себя из цепочки, в состав которой он входил. После этого на его матрице синтезируются многочисленные ДНК-копии Эти новые отрезки ДНК, точные копии эгоистичного оригинала встраиваются обратно в геном более или менее случайным об разом. Существует много типов «прыгающих» генов, но все они представляют собой своеобразные вариации на одну и ту же тему. Их поразительный эволюционный успех красноречиво подтверждают результаты проекта «Геном человека» и других масштабных проектов по прочтению геномов. Почти половина человеческого генома состоит из «прыгающих» генов или их испорченных (мутировавших) остатков. В среднем в любой человеческий ген встроено три «прыгающих» гена, «живых» или «мертвых».
Мертвый «прыгающий» ген (испортившийся настолько, что он больше не может прыгать) еще хуже «живого»: этот, по крайней мере, вырезает сам себя из РНК, не принося существенного вреда, а «мертвый» просто загораживает дорогу. Раз он не может сам себя вырезать, зараженной клетке нужно что-то с ним делать, иначе кодируемая им последовательность аминокислот будет встроена в белок и вызовет страшную неразбериху. Эукариотические клетки еще на раннем этапе своей эволюции изобрели способ вырезать из своих матричных РНК нежелательные участки. Интересно, что для этого они просто позаимствовали РНК-«ножницы» у одного из «прыгающих» генов и заключили их в белковую упаковку. Все современные эукариоты, от растений и грибов до животных, пользуются этими древними ножницами для вырезания некодирующих участков ДНК. Мы наблюдаем замечательную картину. Эукариотические геномы пересыпаны интронами, происходящими из эгоистичных «прыгающих» генов, и всякий раз, когда с ДНК считывается ген, эти интроны вырезаются из матричной РНК с помощью РНК-«ножниц», которые, в свою очередь, украдены у самих же «прыгающих» генов. И проблема, и причина, по которой все это имеет непосредственное отношение к происхождению ядра, в том, что эти древние «ножницы» режут довольно медленно.
Прокариоты в целом не склонны терпеть у себя в геноме «прыгающие» гены и интроны. Гены прокариот не отделены от аппарата синтеза белков. В силу отсутствия ядра прокариотические устройства для синтеза белков (рибосомы) плавают там же, где и ДНК. Гены считываются на матричные РНК, которые немедленно транслируются в белки. Беда в том, что синтез белков на рибосомах идет исключительно быстро, в то время как РНК-«ножницы», вырезающие интроны, работают медленно. К тому времени, как ножницы вырежут интрон, на матрице содержащей его РНК уже будет синтезировано несколько испорченных молекул белка, включающих закодированную в интроне последовательность аминокислот. Как именно бактерии избавляются от «прыгающих» генов и интронов, пока неизвестно (возможно, за это отвечает очищающий отбор в больших бактериальных популяциях), но факт остается фактом: им это удается. Большинству бактерий удалось избавиться почти от всех «прыгающих» генов и интронов, хотя у некоторых бактерий, в том числе у предков митохондрий, имелось небольшое их число. Но и у тех бактерий, у которых они есть, их всего тридцать или сорок на геном, в то время как в любом эукариотическом геноме их тысячи или даже миллионы.
Химерный предок эукариот, судя по всему, подвергся вторжению «прыгающих» генов, которыми он заразился от собственных митохондрий. Мы знаем об этом, поскольку «прыгающие» гены эукариот похожи по строению на немногие «прыгающие» гены, известные у бактерий. Мало того: большинство интронов расположено в одних и тех же участках генов у разных современных эукариот, от амебы до чертополоха, от мухи или гриба до человека. «Прыгающие» гены, из которых возникли эти интроны, предположительно заразили еще общего предка всех эукариот, расплодились в его геноме и, наконец, «умерли», застолбив себе место. Но почему эти гены так разошлись в древнейших эукариотических клетках? Одно из возможных объяснений таково. Бактериальные «прыгающие» гены уже скакали по хромосомам клетки-хозяина, археи, которая, видимо, ничего не смогла с ними поделать. Другое объяснение гласит, что первоначальная популяция химерных клеток оказалась слишком мала, чтобы ей помог очищающий отбор, успешно устраняющий дефекты в крупных бактериальных популяциях.
Как бы то ни было, перед древнейшими эукариотами стояла особая проблема. Они были заражены интронами, которые должны были часто портить белки, потому что РНК-«ножницы» не могли вырезать их достаточно быстро. Хотя такое положение дел не обязательно приводило к гибели клетки (испорченные молекулы белков постепенно расщеплялись, а «ножницы», как ни медленно они работали, рано или поздно все-таки делали свое дело, перекраивая матричную РНК так, что на ее основе начинали синтезироваться функциональные белки), в таких клетках, должно быть, царила ужасная неразбериха. Но за решением этой проблемы несчастным клеткам не пришлось далеко ходить. По мнению Мартина и Кунина, самый простой способ восстановить порядок и вернуться к постоянному синтезу функциональных белков состоял в том, чтобы дать «ножницам» достаточно времени на устранение лишнего и после этого позволять рибосомам начинать синтез белков. Иными словами, требовалось сделать так, чтобы матричные РНК, содержащие интроны, вначале шли под «ножницы» и лишь затем передавались рибосомам. Такого разделения двух процессов во времени можно добиться просто за счет разделения их в пространстве, удалив рибосомы из окрестностей ДНК. Но как? С помощью мембраны с большими дырками! Для этого достаточно было взять имевшуюся мембрану, поместить в нее гены и проследить, чтобы в ней было достаточно пор для пропускания матричных РНК к рибосомам. Таким образом, определяющая особенность всех эукариот — наличие ядра — появилась, по Мартину и Кунину, вовсе не для защиты генов, а для изоляции их от расположенных в цитоплазме фабрик белкового синтеза.
Это решение может показаться слишком уж незамысловатым (хотя для успешной эволюции это только к лучшему), однако оно сразу дало изобретательным клеткам целый ряд преимуществ. Когда «прыгающие» гены перестали представлять опасность, получившиеся из них интроны оказались даже благом. Один из их плюсов состоял в том, что они позволили по-новому перекраивать гены, обеспечивая клетки целым калейдоскопом белков, чем эукариоты не преминули воспользоваться, и теперь одну из важнейших особенностей работы их генов составляют альтернативные способы вырезания интронов. Если ген содержит несколько кодирующих участков, из него можно по-разному вырезать интроны, получая из одного гена целый набор родственных белков. В человеческом геноме лишь около двадцати пяти тысяч генов, но их кусочки перетасовываются так, что позволяют синтезировать не менее шестидесяти тысяч разных белков, а это уже немало. Если бактерии — неисправимые консерваторы, то эукариоты, благодаря интронам, стали неутомимыми экспериментаторами.
Еще один плюс в том, что «прыгающие» гены позволили эукариотам существенно увеличить свои геномы. Научившись жить фагоцитозом, первые эукариоты избавились от бактериальной рутины, особенно от постоянной подгонки под нужды быстрого размножения. Эукариотам незачем было конкурировать с бактериями: они могли просто пожирать их и постепенно, на досуге, переваривать. Им больше некуда было спешить, и они могли позволить себе накапливать ДНК и гены, открывшие им широкие возможности для колоссального усложнения. «Прыгающие» гены помогли им обзавестись геномами, в тысячи раз превышающими по размеру геномы бактерий. Хотя значительная часть приобретенной при этом ДНК была не более чем мусором, кое-что из таких приобретений пригодилось для изготовления новых генов и регуляторных последовательностей. Возрастание сложности стало чуть ли не побочным эффектом этих изменений.
