Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Крус впервые выявили соперничество в виде «гонки вооружений» между мобильными последовательностями ДНК, известными как «ретротранспозоны» (они же «прыгающие гены») и генами, которые эволюционировали, чтобы управлять ими. Они определили гены человека, которые репрессируют белки конкретных «прыгающих генов». Учёные также проследили быструю эволюцию репрессорных генов у приматов.
Их выводы, опубликованные в журнале Nature, показывают, что в ходе эволюции геном приматов претерпел неоднократные изменения, при которых мутации в прыгающих генах позволили им избежать репрессии, что стимулировало в свою очередь развитие новых репрессорных генов и так далее. Кроме того, их результаты показывают, что репрессорные гены изначально развивались, чтобы блокировать прыгающие гены, но со временем стали играть другие регуляторные роли в геноме.
«У нас есть в основном те же 20 000 белок-кодирующих генов, как и у лягушки, но наш геном гораздо сложнее, с несколькими слоями регуляции генов. Это исследование помогает объяснить, как это происходит», — утверждает Софи Салама, научный сотрудник Института геномики Санта-Крус, который возглавлял исследование.
Считается, что ретротранспозоны –это остатки древних вирусов, которые инфицировали ранних животных и встраивали свои гены в геном задолго, прежде чем люди эволюционировали. Теперь они могут только размножаться внутри генома. В зависимости от того, где создается новая копия и вставляется в геном, они могут нарушить нормальные гены и вызывать болезни. Часто эффект является нейтральным, просто добавляясь к общему размеру генома. Очень редко эффект может быть выгодным, потому что добавление ДНК может само по себе стать источником новых регуляторных элементов, которые повышают генную экспрессию. Но высокая вероятность вредного воздействия означает естественный отбор и благоприятствует эволюции механизмов для предотвращения таких «прыжков».
По оценкам ученых, прыгающие гены или «мобильные элементы» составляют по крайней мере 50 % генома человека, и ретротранспозоны являются на сегодняшний день наиболее распространенным типом.
«Мы обнаружили основной механизм, посредством которого геном в состоянии выключать эти элементы мобильного ДНК», — утверждают авторы.
Репрессоры, выявленные в новом исследовании, принадлежат к большому семейству белков, известных как «KRAB белки с цинковыми пальцами». Это ДНК-связывающие белки, которые подавляют активность генов и представляют собой крупнейшее семейство генов-регулирования белков у млекопитающих. Геном человека имеет более 400 генов KRAB белков с цинковыми пальцами, и около 170 из них появились у приматов, переходя от других млекопитающих.
Выводы команды поддерживают идею, что расширение этого семейства репрессорных генов произошло в ответ на деятельность ретротранспозон.
Ученые выяснили, что два белка в организме человека (ZNF91 и ZNF93) связывают и подавляют два крупных класса ретротранспозонов (SVA и L1PA), которые относительно недавно, по меркам генетики, активизировались у приматов. Реконструкция древних геномов этих животных показала, что 8-12 миллионов лет назад белок ZNF91 претерпел структурные изменения, благодаря которым он смог подавлять SVA.
Далее эксперименты с ZNF93 («борцом» с LIPA) наглядно продемонстрировали, как развивается «гонка вооружений» между прыгающими генами и репрессорами. Один из недавно возникших типов LIPA утратил фрагмент ДНК, содержащий участок связывания с ZNF93 — и так стал неуязвимым для репрессора. В ответ на это следует ожидать новые модификации последних.
«KRAB-белки с цинковыми пальцами – это редкий класс белков, продолжающий бурно развиваться и эволюционировать в геномах млекопитающих. Это вполне оправданно: ведь мобильные генетические элементы сами постоянно меняются, чтобы уйти от репрессоров», — заявила Салама.
ПОДРОБНЕЕ В НАУЧНОЙ СТАТЬЕ:
Jacobs, Frank M. J.; Greenberg, David; Nguyen, Ngan; Haeussler, Maximilian; Ewing, Adam D. et al. (2014) An evolutionary arms race between KRAB zinc-finger genes ZNF91/93 and SVA/L1 retrotransposons // Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited
Врач кардиолог, терапевт, врач функциональной диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), редактор и автор статей
