Как вы, возможно, уже знаете, ДНК содержит информацию, важную для функционирования нашего тела и тел всех других живых существ. Каждая молекула ДНК состоит из двух скрученных вместе нитей, каждая из которых состоит из химических веществ, называемых основаниями. Четыре азотистых основания обозначаются сокращённо A, G, C и T (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Вся ДНК в организме называется его геномом. Из чего состоит геном? Частью этой ДНК являются гены (сегмент ДНК, отвечающий за определённую функцию или признак). Каждый ген отвечает за особые черты или характеристики организма, такие как цвет глаз или рост. Но наши гены составляют менее 2% нашей ДНК. А что насчёт остальной части генома? Функция этой 98% «лишней» ДНК не была сразу ясна учёными. Поначалу некоторые даже посчитали это бесполезным «хламом». Но это не так!

Мир природы - это большое семейство форм жизни, включающее людей, животных, растения и множество крошечных организмов. Невероятное разнообразие живого на нашей планете называется биоразнообразием. Оно жизненно важно, поскольку поддерживает экобаланс нашей планеты. Каждый тип организма имеет свою важную роль. Например, некоторые из них очищают воздух, другие опыляют растения или перерабатывают продукты распада в питательные вещества для почвы. Такое положение вещей помогает окружающей среде оставаться сбалансированной, а разнообразные формы жизни на Земле также обеспечивают нас едой, лекарствами и новыми технологиями. На биоразнообразие могут влиять многие факторы. Иногда появляются новые виды, а иногда некоторые виды исчезают. В этой статье мы познакомим вас с транспозонами, которые представляют собой сегменты ДНК, обладающие удивительной способностью перемещаться внутри генома, а также с многочисленными способами, которыми они могут влиять на биоразнообразие. Транспозоны составляют значительную часть геномов многих организмов, включая человека, животных и растения. Эти необычные свойства генома были открыты исследовательницей по имени Барбара МакКлинток в 1940-х годах. Научное сообщество в то время отнеслось к её идеям скептически, поскольку многие учёные считали, что сегменты ДНК не могут перемещаться из одного положения в другое. Однако десятилетия спустя это открытие подтвердило свою истинность.

Транспозоны - это необычные участки ДНК, которые могут влиять на гены и создавать новые черты, помогая сделать каждое живое существо особенным. Они обладают удивительной способностью перемещаться внутри ДНК одного организма и даже перемещаться между организмами! Также могут активироваться при стрессе, помогая справляться и адаптироваться к потрясениям. Исследователи используют транспозоны в качестве специальных систем доставки, помогающих лечить болезни. Кроме того, изучение этих необычных свойств может дать много информации о том, как изменилось биоразнообразие жизни на Земле за миллионы лет. Они могут помогать друг другу в перемещении, практикуя командную работу. Уникальные особенности этих «прыгающих» сегментов ДНК принесли в 1983 году МакКлинток Нобелевскую премию за их открытие!

Эти элементы бывают двух типов: класс I и класс II. Первые сначала копируют себя, а затем новая копия «вставляется» где-то ещё в геноме. А вот транспозоны второго класса не используют стадию копирования. Молекулярные «ножницы» вырезают эти участки из генома, а затем вставляют их в новое место. При этом количество копий не увеличивается. Когда приходит время транспозонам класса II двигаться, белок, называемый транспозазой (который помогает элементам перемещаться в новые места генома) действует, как молекулярные ножницы, вырезая часть кода ДНК из его исходного местоположения. Как только транспозон освобождается, транспозаза помогает направить его в новое место, распознавая определённые последовательности ДНК. Затем механизм восстановления клетки запечатывает ДНК, в которую был вставлен новый участок кода. В случае транспозонов класса I другие белки помогают создавать дополнительные копии.

Некоторые транспозоны обладают всеми инструментами, необходимыми для перемещения из одного места генома в другое, в то время как другие не имеют полного набора инструментов, необходимых для перемещения, и не могут перемещаться самостоятельно. Однако они могут «путешествовать автостопом» с теми, у кого есть нужные инструменты, заимствуя их инструменты для перемещения по геному.

Перемещение и комбинирование генов могут изменить инструкции, указывающие организму, как функционировать. Иногда эти изменения могут привести к появлению новых черт, которые отличают особей друг от друга, увеличивая биоразнообразие. Например, яблоки бывают разных вкусов, верно? Некоторые сладкие, некоторые кислые. Гены яблока подобны маленьким рецептам, указывающим, будет ли оно сладким или кислым. Транспозоны подобны хитрым поварам, которые могут изменить рецепт: они могут сделать вкус сладкого яблока кислым, а вкус кислого яблока — слаще. Подсолнухи – ещё один показательный пример. Гены подсолнечника сообщают растению, какой высоты оно должно вырасти. Транспозоны могут воспользоваться этими инструкциями и изменить их, так что подсолнух, который должен был быть невысоким, в конечном итоге стал очень высоким! Эти элементы также могут влиять на окраску животного. Подумайте о полосах и пятнах на тиграх или леопардах. Иногда новые участки кода ДНК могут проникать в эти паттерны генов и создавать новый паттерн. Таким же образом может меняться и цвет кожи змеи. Таким же образом может изменяться цвет шерсти мышей, собак и волков. Насекомые могут иметь разный цвет глаз, а куры могут нести яйца с разным цветом скорлупы. То же самое может произойти и с рыбами: транспозон может привести к тому, что рыба станет альбиносом, совершенно бесцветным.

Когда транспозоны перемещаются, они могут «прыгать» внутри гена. Это меняет функционирование гена. В некоторых случаях эти изменения вредны и вызывают заболевания. В других случаях они могут быть полезными и даже способствовать лучшей адаптации вида к окружающей среде. История насекомого под названием перцовая моль является классическим примером. В начале 19 века все перцовые бабочки были светлого цвета с темными пятнами. Однако в 1864 году натуралист в Англии обнаружил совершенно тёмную моль. Это было довольно интересно! Во время промышленной революции загрязнения с заводов покрыли деревья сажей. Темные мотыльки могли маскироваться на таких деревьях, что снижало риск того, что их увидят и съедят птицы. Намного позже учёные установили, что за тёмную окраску отвечает транспозон. Он проник внутрь гена мотылька, называемого корой, который отвечает за цвет крыльев, вызывая образование большего количества тёмного цвета. Без этого изменения перцовая моль не выжила бы.

Эти генетические свойства могут помочь обнаруживать биоразнообразие, существовавшее в прошлом, подобно окаменелостям. Транспозоны существуют уже очень давно. Некоторые из них были активны миллионы лет назад и со временем стали неактивными. Однако они по-прежнему остаются в ДНК организмов, в основном в виде разбитых фрагментов. Изучая их наличие и типы в геномах различных организмов, учёные могут использовать транспозоны, чтобы понять, как виды связаны друг с другом - даже с вымершими организмами. Изучая древние фрагменты, путём обработки на мощных серверах дата-центров, учёные могут собрать воедино историю эволюции и взаимоотношения между видами, подобно детективам, ищущим улики! Таким образом, транспозоны раскрывают историю того, как жизнь на Земле изменилась за миллионы лет.

Такие свойства стали полезными инструментами в медицинских исследованиях. Учёные могут изменить транспозоны в лаборатории и использовать их для доставки важных генов в определённые клетки организма. Это может помочь в лечении некоторых генетических заболеваний, путём замены или исправления дефектных генов. Перемещающиеся части действуют как специальная система доставки, которая доставляет полезные инструкции в нужное место клетки. Они могут поддерживать здоровье организмов и даже спасать жизни!

Когда организмы сталкиваются со стрессовыми ситуациями, такими как экстремальные температуры, опасные вещества или другие проблемы, они производят сигналы, которые помогают им справиться со стрессом. Эти сигналы могут разбудить «спящие» транспозоны, которые затем начнут прыгать по геному. Активация этих элементов может быть способом изменения генов организма в попытке адаптироваться и выжить. Например, транспозон, активируемый стрессом, участвует в реакции растений риса на токсичный металл, называемый кадмием. У растений риса есть ген, отвечающий за попадание кадмия внутрь клеток. Транспозон встроился в этот ген и отключил его. Это уменьшило количество кадмия, поглощаемого растениями, и помогло им оставаться здоровыми. Таким образом, сейчас существует новый вид риса, защищённый от кадмия.

ДНК-дактилоскопия - это инновационный и мощный метод изучения и идентификации различных сортов растений. Транспозоны могут вставляться в различные места ДНК растения, поэтому со временем каждое растение накапливает свой собственный набор копий. Это создаёт уникальный узор, подобно «отпечатку пальца». Сравнивая отпечатки транспозонов в геномах разных растений, исследователи могут определить, насколько тесно связаны эти растения родственными узами. Таким образом, транспозоны помогают учёным отслеживать развитие биоразнообразия.

Транспозоны могут даже перемещаться между видами! Например, участок генетического кода растения может попасть в животное или наоборот, часто переносясь вирусами или другими способами. Они переносят информацию новым организмам и проникают в их ДНК, становясь частью генома нового организма. Но иногда они могут служить хранителями генома, поддерживая его стабильность. Одним из примеров является ситуация, когда транспозоны заменяют нормальные последовательности на концах молекулы ДНК, защищая их от укорочения и деградации. Это происходит, например, у плодовой мухи. Создавая новые копии транспозонов, концы ДНК со временем остаются неповреждёнными, что помогает гарантировать, что важная генетическая информация не будет потеряна. Если генетическая информация потеряна, вид может не выжить.