Древние вирусы, встроенные в нашу ДНК, помогают включать и выключать гены

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что ДНК, полученная человечеством от древних вирусов, играет ключевую роль в включении и выключении частей нашего генетического кода.

Почти половина генома человека состоит из сегментов, называемых мобильными генами (МЭ), также известных как «прыгающие гены», поскольку они могут перемещаться по геному. Некоторые из этих МЭ — остатки древних вирусов, внедрившихся в геномы наших предков и передававшихся из поколения в поколение на протяжении миллионов лет.

В течение десятилетий после открытия ТЭ учёные полагали, что они не несут никакой пользы, представляя собой «мусорную» ДНК. Но это новое исследование лишь подтверждает растущее количество доказательств того, что это описание было далеко от истины.

Исследование предполагает, что эти якобы спящие участки нашей ДНК вовсе не являются бесполезными окаменелостями, а могут играть решающую роль в регуляции экспрессии генов, особенно на ранних этапах развития. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

«Наш геном был секвенирован давно, но функции многих его частей остаются неизвестными», — заявила соавтор исследования Хироми Накао-Иноуэ из Киотского университета. «Считается, что мобильные элементы играют важную роль в эволюции генома, и ожидается, что их значение станет более очевидным по мере развития исследований».

Трансгенные элементы считались «мусорными», поскольку, по всей видимости, не имели никакого отношения к созданию белков — молекул, из которых состоят клетки и которые обеспечивают их жизнедеятельность. Хотя гены несут в себе информацию о белках, эти повторяющиеся, мобильные элементы долгое время считались «нефункциональной» ДНК.

Однако в последние годы накапливаются доказательства того, что эти повторяющиеся участки наших геномов играют роль в регуляции генов. Например, их коды часто используются для создания некодирующей РНК – молекулы, которая может воздействовать на другие гены, дифференцируя клетки и регулируя рост эмбрионов.

Более детальное изучение мобильных элементов также стало возможным благодаря технологии CRISPR. Этот известный инструмент редактирования генов позволил учёным изучить, как мобильные элементы влияют на структуру хроматина — смеси ДНК и белков, из которых состоят хромосомы, — и активируют активность генов эмбриона после оплодотворения.

Учёные, проводившие новое исследование, сосредоточились на конкретном семействе ТЕ, называемом MER11. Это семейство относится к более крупному классу ТЕ, появившихся в геномах приматов около 40 миллионов лет назад.

Исследователи классифицировали последовательности внутри семейства MER11 на основе их эволюционных связей. В результате было выделено четыре подгруппы: от MER11_G1 (самая старая) до MER11_G4 (самая молодая).

Чтобы изучить влияние этих ТЕ на клетки, они внедрили почти 7000 последовательностей в клетки в лабораторных чашках Петри. Последовательности, взятые у людей и других приматов, были помещены в стволовые клетки и нейрональные клетки на ранней стадии развития, активность генов которых затем измерялась.

Результаты показали, что самые молодые представители семейства MER11 — MER11_G4 — обладают выраженной способностью активировать гены. Они обладают уникальными «сайтами связывания факторов транскрипции» — фрагментами ДНК, играющими ключевую роль в развитии и служащими площадками для стыковки белков, контролирующих экспрессию генов.

Небольшие различия в последовательностях MER11_G4 также наблюдались у людей, шимпанзе и макак, причем эти различия изменяли регуляторный эффект последовательностей от вида к виду.

«Исследование показывает, как много ещё предстоит узнать из последовательности генома», — рассказала Кристина Туфарелли из Центра онкологических исследований Университета Лестера, не принимавшая участия в исследовании. «Особенно когда речь идёт о вирусоподобных транспозонных повторах, разнообразие которых между семьями и внутри них до сих пор в значительной степени игнорировалось».

Она добавила, что эта работа открывает несколько направлений для будущих исследований. «Этот подход может быть применён к любому мобильному элементу и потенциально поможет получить более глубокие знания о других элементах с потенциальными регуляторными функциями», — сказала она.

Туфарелли добавила, что будущие эксперименты могут включать удаление определенных частей ТЕ с помощью CRISPR, чтобы помочь раскрыть их роль в регуляции экспрессии генов как в норме, так и при заболеваниях.