Nature: дальний контроль генов появился более 650 миллионов лет назад

Фото из открытых источников

Дистальная регуляция — способность управлять генами на большом расстоянии, на протяжении многих десятков тысяч цепочек ДНК — появилась на самой заре эволюции животных, между 650 и 700 миллионами лет назад (криогеновый период) — примерно на 150 миллионов лет раньше, чем считалось ранее. Статья о результатах исследования была опубликована в журнале Nature.

Дистальная регуляция основана на физическом сворачивании ДНК и белков в сложные петли. Это позволяет областям, удаленным от начальной точки гена, активировать его функцию.

Этот дополнительный уровень контроля, вероятно, помог первым многоклеточным животным создавать специализированные типы клеток и тканей без изобретения новых генов.

Критическое нововведение, вероятно, возникло у морского существа, общего предка всех ныне живущих животных. Древнее животное развило способность контролируемо сворачивать ДНК, создавая петли в трехмерном пространстве, которые обеспечивали прямой контакт удаленных друг от друга фрагментов ДНК.

«Это существо может перепрофилировать свой генетический набор инструментов по-разному, как швейцарский нож, что позволяет ему совершенствовать и исследовать инновационные стратегии выживания», — говорит Яна Ким из Центра геномной регуляции и Национального центра геномного анализа. «Мы не ожидали, что этот уровень сложности окажется настолько древним».

Ким и ее коллеги сделали это открытие, исследуя геномы многих древнейших ветвей генеалогического древа животных, включая гребневиков, таких как морской орех (Mnemiopsis leidyi), плакозоев, книдарий и губок.

Они также изучали одноклеточных родственников, которые не являются животными, но имеют недавнего общего предка.

«Вы можете открыть для себя много нового в биологии, наблюдая за странными морскими существами», — сказал профессор Арнау Себе-Педрос из Центра геномной регуляции. «До сих пор мы сравнивали последовательности генома, но благодаря новым методам теперь мы можем анализировать, какие механизмы регуляции генов контролируют функцию генома у разных видов». 

Исследователи использовали технику под названием Micro-C, чтобы составить карту того, как ДНК физически сворачивается внутри клеток каждого из 11 различных видов, которые они изучали. Для масштаба, каждое ядро человеческой клетки содержит около 2 м ДНК.

Ученые проанализировали 10 миллиардов фрагментов данных секвенирования, чтобы создать подробную трехмерную карту генома каждого вида.

Хотя у одноклеточных родственников животных не было обнаружено никаких доказательств дистальной регуляции, у животных с ранним ветвлением, таких как гребневики, пластинчатые и книдарии, было много петель.

Только у морского ореха в геноме насчитывается более четырех тысяч петель.

Это открытие удивительно, учитывая, что длина его генома составляет всего около 200 миллионов букв ДНК.

Для сравнения, длина человеческого генома составляет 3,1 миллиарда букв, а наши клетки могут иметь десятки тысяч петель.

До сих пор считалось, что дистальная регуляция впервые появилась у последнего общего предка билатеральных животных — группы многих различных типов животных, которые впервые появились на Земле около 500 миллионов лет назад.

Однако гребневики произошли от форм жизни, которые рано отделились от других линий животных, примерно 650–700 миллионов лет назад.

«Вопрос о том, являются ли гребневики старше губок на древе жизни, является давним спором в кругах эволюционных биологов, но исследование показывает, что дистальная регуляция возникла по крайней мере на 150 миллионов лет раньше, чем считалось ранее», — говорят авторы.