С тех пор, как Барбара Макклинток (Barbara McClintock) из Института Карнеги (Carnegie Institution) получила Нобелевскую премию за открытие прыгающих генов в 1983 году, мы узнали, что почти половина нашей ДНК состоит из прыгающих генов, так называемых транспозонов.
Влияние транспозонов на фертильность
Учитывая способность генов прыгать, в развитии сперматозоидов и яйцеклеток их вторжение вызывает повреждение ДНК и мутации. Это зачастую приводит к стерильности животных или даже смерти, угрожая выживанию видов. Большое количество прыгающих генов означает, что организмы пережили миллионы, если не миллиарды, инвазий транспозонов.
Материалы и методы обследования
Исследователи изучили прыгающие гены в плодовой мушке Drosophila melanogaster – классической модели для изучения прыгающих генов в развитии сперматозоидов и яйцеклеток. Чтобы создать мощную систему, изучающую адаптацию прыгающих генов, исследователям нужен был инструмент для контроля их активности. В течение четырех десятилетий было известно, что температура окружающей среды влияет на степень стерильности плодовой мухи при инвазии генов. При температуре 25 градусов по Цельсию у потомства развивались стерильные яичники, тогда как при 18 градусов по Цельсию у потомства полностью были развиты яичники.
Результаты научной работы
Исследователи Карнеги обнаружили, что при прыжке генной инвазии репродуктивные стволовые клетки повышают производство некодирующих элементов РНК, которые подавляют их активность и активируют процесс репарации ДНК, позволяющий нормальное развитие яйцеклетки. Результаты опубликованы на сайте Carnegie Institution.
“Поскольку широко известно, что температура влияет на стерильность, мы решили количественно оценить скорость активности этого прыгающего гена при различных температурах. Мы обнаружили, что скорость прыжковой мобилизации генов была в семь раз выше при 25 градусах по Цельсию в стволовых клетках яичников, что означает, что мы можем просто использовать температуру для контроля интенсивности инвазии от прыгающих генов”, – отметил Сунгин Мун (Sungjin Moon), автор исследования.
Ученые создали яичник взрослой мухи в качестве мощной платформы для понятия основного механизма адаптации. Они обнаружили, что репродуктивные стволовые клетки используют новый адаптивный ответ на “быстрое приручение” вторгающихся элементов путем активации так называемой контрольной точки повреждения ДНК. Это процесс, который активирует перерыв в цикле клетки перед делением клетки, для того чтобы отремонтировать поврежденную ДНК. Компонент контрольной точки Chk2 был признан ключевым. Этот перерыв активировал производство piRNA – некодирующих РНК, которые остановили производство прыгающих генов. Исследователи обнаружили, что этот период паузы необходим для адаптации и для окончательной остановки вторгшихся прыгающих генов, что позволило обеспечить нормальное производство яйцеклеток, которое восстановилось в течение четырех дней.
“Скачок гена вызывает катастрофическую геномную нестабильность во всем организме», – заметил Чжао Чжан. “Они значительно снижают жизнеспособность и плодовитость животных и могут привести к демографическому кризису. Мы считаем, что способность репродуктивных стволовых клеток быстро адаптироваться и таким образом восстанавливать фертильность позволяет видам противостоять такому краху популяции. Этот механизм является стержнем выживания видов».
Авторы другого исследования утверждают, что машинное обучение помогает выявить гены устойчивости к антибиотикам у микобактерий туберкулеза.
