Гіпотеза про так звану «сміттєву ДНК» переживає важкі часи. Колись це було улюблене дітище еволюційної теорії. В останні ж роки її статус все більше піддається сумніву — у мірі виходу нових робіт, які показують, що насправді вона зовсім не «сміттєва».^1, 2

В ході «Великої дискусії про створення та еволюцію в Дотані»³ мій опонент будував свої міркування саме на «сміттєвій ДНК», повертаючись до неї знову і знову. Я попереджав тоді, що цей аргумент є безпідставним, що «форма слідує за функцією» і що ситуація нагадує стару дискусію про рудименти (аргумент, який розсипається в прах, як тільки у «рудимента» згаходять відповідну функцію).

І дійсно, дуже скоро нові дослідження посунули ідею про «сміттєву ДНК» ще ближче до купи вже спростованих раніше еволюційних вигадок. Фолкнер і його колеги⁴ завдали нищівного удару гіпотезі «сміттєвої ДНК», показавши, що ретротранспозони (ймовірно, залишки давніх вірусів, які проникли в геноми людей і інших живих істот) дуже функціональні.

Передісторія

Ґрунтуючись на працях Дж. Б. С. Холдейна⁵ та інших авторів, які показали, що природний добір не був в змозі вибрати потрібні з мільйонів нових мутацій в ході людської еволюції, Мото Кімура⁶ розробив в кінці 1960-х рр. теорію «нейтральної еволюції». Суть її в наступному. Якщо «дилема Холдейна»⁷ вірна, то велика частина ДНК виявляється нефункціональною. 

ДНК може вільно мутувати протягом довгого часу без будь-якого впливу з боку зовнішнього середовища. Таким чином, природний відбір може впливати на окремі важливі ділянки геному, тоді як нейтральна еволюція наосліп впливає на всі інші. Оскільки природний відбір не впливає на нейтральні властивості, що не торкаються здатності до виживання або розмноження, нейтральна еволюція може допускати випадкові зміни без всяких «витрат відбору».⁸

Термін «сміттєва ДНК» (англ. Junk DNA) запропонував у 1972 р Сусумі Оно⁹, безпосередньо спираючись на ідею нейтральної еволюції. Для Оно й інших вчених його часу великі ділянки (інтрони) між генами, що кодують білки (екзони), представляли собою марну ДНК, єдина функція якої — розділяти гени в хромосомі.

«Сміттєва ДНК» необхідна для теорії еволюції

«Сміттєва ДНК» — це не просто ярлик, приліплений до тієї частини ДНК, яка здається нефункціональною, а необхідна математична екстраполяція, створена для вирішення теоретичної дилеми в теорії еволюції, перед якою без цієї екстраполяції встають непереборні труднощі математичного характеру. «Сміттєва ДНК» необхідна для еволюційної теорії.

З позицій математики, проблема виглядає наступним чином: занадто велика мінливість, занадто багато ДНК, яка має мутувати, і занадто мало поколінь, щоб всі ці мутації встигли закріпитися. В цьому і полягала суть роботи Холдейна. Без «сміттєвої ДНК» еволюціонізм не в змозі математично пояснити, як же відбувається сама еволюція.

Справді: еволюційна модель передбачає термін від 3 до 6 мільйонів років з моменту розділення предків людей і шимпанзе. При середньому часі зміни поколінь близько 20-30 років, у нас було всього лише від 100 000 до 300 000 поколінь, щоб закріпити мільйони мутацій, що відокремлюють людей від шимпанзе. У числі цих мутацій — щонайменше, 30 мільйонів однонуклеотидних поліморфізмів¹⁰, понад 90 мільйонів пар основ унікальної ДНК¹⁰, близько 700 додаткових генів людини (у шимпанзе немає близько 6% людських генів)¹¹, десятки тисяч хромосомних транслокацій. 

Крім того, геном шимпанзе приблизно на 13% довший за людський¹², але в основному за рахунок гетерохроматину, який покриває хромосомні теломери. Всі ці зміни мали б відбутися за дуже короткий період еволюції, так що на них просто не було часу, навіть якщо заперечувати функціональність більше 95% генома, в терміни можна вкластися з великими труднощами.

Якщо ж «сміттєва ДНК» на ділі виявиться функціональною — то кожна її функція буде все сильніше підривати еволюційну теорію.

Ретротранспозони: невипадковий розподіл сміття

Важливі елементи «сміттєвої ДНК» — ретротранспозони. Вони вважалися залишками давніх вірусних інфекцій, частинки ДНК яких безладно проникали в ДНК інших видів, в тому числі і в ДНК людини.

Досліджуючи людину і мишу, Фолкнер і його коллеги⁴ виявили, що від 6 до 30% РНК¹³ починаються всередині ретротранспозон, і що такий їх розподіл явно не випадковий. Дане відкриття саме по собі було приголомшливим. Але дослідники додатково до цього з'ясували, що ці РНК в основному тканиноспецифічні так, що різні класи ретротраспозон, схоже, беруть участь в регуляції експресії гена в різних тканинах.

Вже з самого початку дані висновки не підтримували ідею про те, що ретротранспозони — це «еволюційне сміття». Але далі — більше. Виявляється, що ретротранспозони збігаються з областями великої щільності генів і зустрічаються всередині генома у вигляді кластерів, тим самим підтверджуючи модель невипадкового розподілу генів. 

Коли ретротранспозони розташовуються вище генів, що кодують білок, вони надають безліч альтернативних точок ініціації транскрипції, які виробляють безліч альтернативних мРНК і не кодують РНК. У нижній частині транскрипта більше чверті таких генів, що значаться в RefSeq¹⁴, мають ретротранспозон в своїх 3'-НТО (нетрансльовані області)¹⁵, що зменшує кількість синтезованого білка. Дослідники зробили висновок, що ці 3'-НТО є місцем інтенсивної транскрипційної регуляції. Цього навряд чи можна було очікувати від «сміттєвих» частин ДНК!

На підставі розподілу ретротранспозонів вчені визначили цілих 23 000 можливих області регуляції всередині генома. Крім того, вони знайшли 2 тис. прикладів двосторонньої транскрипції, що викликана присутністю ретротранспозонів (коли ДНК «читається» в обох напрямках, а не тільки в одному, що вважалося нормою).

Ретротранспозони як регулятори транскрипції

У певний момент Фолкнер і його колеги спробували зменшити свої результати. Вони оголосили, що тільки деякі ретротранспозони містять активні промотори і що тільки деякі з них функціональні, заявивши при цьому, що не наполягають на універсальній функції ретротранспозонів.

Однак ці ж автори вказують на достаток ретротранспозонів, на тисячі ретротранспозонів-промоторів, які безпосередньо примикають до генів, що кодують білок, впливаючи на їх регуляцію і, ймовірно, також на їх еволюцію. Автори зробили висновок, що ретротранспозони мають вирішальний вплив на транскрипцію у всьому геномі, що вони виступають «багатосторонніми регуляторами функціональної продуктивності транскриптома ссавців», «всеосяжним джерелом транскрипції і транскрипційної регуляції», і що «в майбутніх дослідженнях генома вони повинні вважатися "транскрипційним механізмом"».

Висновок

Це приголомшливі результати. У міру того, як ускладнюється наше уявлення про геномну регуляцію, у міру того, як дедалі більша частина генома виявляється функціональною, знову і знову виникає питання: скільки ще еволюціоністи будуть триматися за теорію «сміттєвої ДНК»? Однак не триматися вони не можуть, бо без цієї ідеї втратять один зі своїх кращих аргументів.

Проте еволюціоністи тільки що втратили один зі своїх улюблених аргументів: присутність в геномі давніх неактивних вірусів. Замість нефункціональних рудиментарних залишків нашого минулого, ретротранспозони виявилися елементами, функціонально інтегрованими в разюче складний регуляторний апарат генома ссавців.

Хочу зауважити, що молодоземельні креаціоністи не наполягають на високій функціональності всього генома. Хоча я підозрюю, що прямі або непрямі регулятори транскрипції більшої його частини ще будуть знайдені, в геномі все ж можуть існувати значні відрізки, які просто повідомляють тимчасову структуру його функціональним частинам. Можна вважати їх каркасом, на якому спочиває тривимірний хмарочос генома. Втім, навіть ці елементи функціональні (в силу своєї структуроутворюючої ролі), хоча вони можуть і не мати прямого впливу на геномну регуляцію, і специфічність їх послідовності може бути вельми низькою.

Коли-небудь ми зрозуміємо, як працює геном в цілому. Поки ж відзначимо, що «сміттєва ДНК» стала черговою слабкою ланкою в ланцюзі аргументації, що вибудовується для доведення теорії еволюції.