У лошадей, ослов и зебр есть адаптации, нарушающие обычные геномные правила

Фото из открытых источников

Генетическая мутация у лошадей, которая обычно останавливает производство белка, стала молекулярным активом. Исследователи из Университета Джонса Хопкинса и Университета Вандербильта выявили редкий случай генетического перекодирования, который усиливает метаболизм кислорода и производство энергии у лошадей, ослов и зебр.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, дают представление о генетической основе исключительных спортивных способностей лошадей и указывают на совершенно новый способ борьбы со стоп-кодонами.

Немногие млекопитающие могут сравниться с лошадьми по аэробным показателям. Мышечная ткань чистокровных лошадей потребляет кислород со скоростью, превышающей 360 литров в минуту. Потребление кислорода на единицу массы тела более чем в два раза превышает потребление у элитных спортсменов-людей. Хотя многие гены, участвующие в мышечной структуре и локомоции, были изучены, генетическая основа этого уровня метаболического выхода осталась неясной.

Прошлые исследования были в основном сосредоточены на физических чертах, таких как размер, мышечная архитектура или походка. Геномные исследования обнаружили мутации в генах, влияющих на обоняние, кератин и миозин, но не установили прямой связи с аэробным метаболизмом.

В текущем исследовании ученые сосредоточились на гене KEAP1 и пути KEAP1-NRF2, который регулирует антиоксидантные реакции и выработку энергии митохондриями.

У птиц этот путь развился для управления окислительным стрессом, вызванным полетом. У ранних позвоночных он помогал им адаптироваться к стрессовым факторам окружающей среды при переходе из воды на сушу. Исследователи предположили, что аналогичный механизм мог способствовать эволюции атлетичных лошадей.

При подготовке к своему исследованию ученые обнаружили преждевременный стоп-кодон в версиях гена у лошадей по сравнению с другими видами. Расположенный необычно рано в последовательности белка, стоп-кодон, как ожидается, остановит транскрипцию белка рано, как остановка 40-шаговой инструкции по сборке после первого шага. Полученный белок должен быть настолько усечен, чтобы сделать его полностью нефункциональным.

Исследование, которое должно было изучить KEAP1 как источник преобразования энергии у лошадей, внезапно столкнулось с возможностью того, что ген, известный своей критической ролью в окислительно-восстановительном балансе клеток и регуляции энергии, даже не кодировал. Вместо этого они обнаружили нечто совершенно неожиданное.

В исследовании ученые использовали молекулярную биологию и эволюционный анализ для изучения преждевременного стоп-кодона в гене KEAP1. Генетические сравнения по всем существующим видам Equus были изучены вместе с функциональными тестами в клетках лошадей и человека.

Команда объединила генетические сравнения современных видов лошадей с клеточными и молекулярными экспериментами.

Они использовали CRISPR-Cas9 для моделирования генетических изменений в клетках человека, масс-спектрометрию для изучения структуры белка и метаболические анализы для измерения потребления кислорода и производства АТФ. Мышечные клетки и клетки кожи лошади изучались вместе с образцами других видов для оценки различий в выработке энергии и реакциях на окислительный стресс.

То, что обнаружили исследователи, бросило вызов фундаментальным правилам генетики. Ген KEAP1 обычно кодирует белок, состоящий из более чем 600 аминокислот. Стоп-кодон в позиции 15 обычно останавливает трансляцию в самом начале, производя только 14 аминокислот. Такая длина слишком коротка, чтобы поддерживать любую из известных ролей гена в клеточной защите или регуляции энергии. Тем не менее, в клетках лошади белок оказался полностью транслированным, полным и функциональным.

Масс-спектрометрия нашла объяснение. Стоп-кодон опала был перекодирован как цистеин, что позволило продолжить процесс трансляции. Эта редкая форма генетического считывания ранее не была задокументирована в гене, подобном KEAP1, ни у одного позвоночного. У лошадей это позволило клеткам производить полноразмерный белок KEAP1 без прерывания.

Анализ выявил обширные эволюционные изменения, в ходе которых KEAP1 и несколько компонентов системы трансляции развились уникальным образом у Equus, превратив то, что должно было стать фатальной ошибкой, в эволюционное преимущество.

Стоп-кодоны иногда можно переинтерпретировать, позволяя клетке вставить аминокислоту, а не останавливать трансляцию. Обычно для этого требуется определенный сигнал в мРНК, который направляет рибосому, чтобы переопределить остановку и вставить селеноцистеин. У лошадей такой сигнал не был обнаружен в транскрипте KEAP1. Тем не менее, трансляция продолжалась.

Одно из вероятных объяснений кроется в структуре самой мРНК KEAP1. Конец транскрипта образует характерную форму, которая, по-видимому, привлекает белки, необходимые для считывания стоп-кодона. Эта структура может действовать как альтернативный сигнал, направляя рибосому мимо преждевременной остановки.

Второе объяснение исходит из изменений в самом аппарате трансляции. Два белка, участвующих в считывании стоп-кодонов (SBP2 и eEFSec), несут мутации, уникальные для Equus. Изменения сгруппированы в областях, которые помогают позиционировать транспортные РНК во время трансляции.

Функциональные анализы показали, что лошадиной версии SBP2 было достаточно для управления перекодированием в тестовой системе, даже при отсутствии обычных сигналов мРНК.

В совокупности структурные особенности транскрипта и изменения факторов трансляции, по-видимому, формируют коэволюционное решение, которое превращает генетический стоп-сигнал (селеноцистеин) в функциональный зеленый свет (цистеин).

Наличие мутации у всех современных видов лошадей позволяет предположить, что она возникла на ранних этапах развития рода — изменение, которое могло обеспечить повышение аэробной производительности, сформировав эволюцию таких качеств, как скорость и выносливость.

Примерно одно из десяти генетических нарушений человека является результатом преждевременных стоп-кодонов. Естественный пример перекодирования стоп-кодонов, который поддерживает баланс и улучшает функцию, может предложить новые направления для биомедицинских исследований с терапевтическими подходами, направленными на восстановление функционального считывания белка.