Гонка вооружений происходит между мобильными последовательностями ДНК, известными как «ретротранспозоны» (также известные как «прыгающие гены»), и генами, которые эволюционировали, чтобы контролировать их. Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Крус впервые идентифицировали гены у людей, которые заставляют белки-репрессоры отключать определенные прыгающие гены. Исследователи также проследили быструю эволюцию генов-репрессоров в линии приматов.
Их результаты, опубликованные 28 сентября в Nature, показывают, что в течение эволюционного периода геномы приматов претерпевали повторяющиеся эпизоды, в которых мутации прыгающих генов позволяли им избежать репрессии, что стимулировало эволюцию новых репрессорных генов и так далее. Более того, их результаты предполагают, что гены-репрессоры, которые изначально эволюционировали, чтобы отключать прыгающие гены, с тех пор стали играть другие регуляторные роли в геноме.«У нас в основном те же 20 000 генов, кодирующих белок, что и у лягушки, но наш геном намного сложнее, с большим количеством уровней генной регуляции. Это исследование помогает объяснить, как это произошло», — сказала Софи Салама, научный сотрудник Калифорнийского университета.
Институт геномики Санта-Крус, который руководил исследованием.Считается, что ретротранспозоны — это остатки древних вирусов, которые инфицировали ранних животных и вставили свои гены в геном задолго до появления человека. Теперь они могут воспроизводиться только внутри генома. В зависимости от того, где в геном вставляется новая копия, скачок может нарушить нормальные гены и вызвать болезнь.
Часто эффект нейтрален, просто увеличивая общий размер генома. Очень редко эффект может быть полезным, потому что добавленная ДНК сама может быть источником новых регуляторных элементов, усиливающих экспрессию генов. Но высокая вероятность пагубных последствий означает, что естественный отбор способствует развитию механизмов предотвращения скачкообразных событий.Ученые подсчитали, что прыгающие гены или «мобильные элементы» составляют не менее 50 процентов генома человека, а ретротранспозоны, безусловно, являются наиболее распространенным типом.
«В эволюции приматов были последовательные волны активности ретротранспозона, когда мобильный элемент изменялся, чтобы выразиться и реплицироваться по всему геному, пока что-то не отключило его», — сказал Салама. «Мы обнаружили основной механизм, с помощью которого геном может отключать эти мобильные элементы ДНК».Репрессоры, идентифицированные в новом исследовании, принадлежат к большому семейству белков, известных как «белки цинковых пальцев KRAB».
Это ДНК-связывающие белки, которые подавляют активность генов, и они составляют самое большое семейство белков, регулирующих гены, у млекопитающих. В геноме человека насчитывается более 400 генов белков цинковых пальцев KRAB, и около 170 из них появилось после того, как приматы разошлись с другими млекопитающими.
По словам Саламы, результаты ее команды подтверждают идею о том, что расширение этого семейства репрессорных генов произошло в ответ на волны активности ретротранспозона. Поскольку репрессия прыгающего гена также влияет на гены, расположенные рядом с ним на хромосоме, исследователи подозревают, что эти репрессоры были кооптированы для других функций регуляции генов, и что эти другие функции сохранялись и развивались долгое время после прыгающих генов репрессоров. изначально выключены, деградировали из-за накопления случайных мутаций.
"Репрессор этого типа работает так: часть его связывается с определенной последовательностью ДНК, а часть связывает другие белки, чтобы задействовать целый комплекс белков, который создает репрессивный ландшафт в геноме. Это влияет на другие близлежащие гены, так что теперь вы есть потенциальный новый уровень регулирования, доступный для дальнейшей эволюции », — сказал Салама.
Белки цинковых пальцев KRAB являются предметом интенсивных исследований, поскольку ученые пытаются разобраться в их многочисленных регуляторных функциях в геноме. Идея о том, что они участвуют в подавлении прыгающих генов, не нова — предыдущие исследования других исследователей показали, что эти белки заглушают прыгающие гены в эмбриональных стволовых клетках мыши. Но до сих пор никому не удавалось продемонстрировать, что то же самое происходит в клетках человека.
Команда Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработала новый тест, чтобы проверить, может ли определенный белок цинковых пальцев KRAB отключать определенные прыгающие гены. Первые авторы статьи, постдокторант Фрэнк Джейкобс и аспирант Дэвид Гринберг, разработали стратегию тестирования ретротранспозонов приматов в клетках не-приматов с использованием эмбриональных стволовых клеток мыши, содержащих одну хромосому человека. В среде клетки мыши активировались прыгающие гены, которые подавлялись в клетках приматов. Затем Гринберг разработал тест для тестирования индивидуальных белков цинковых пальцев на их способность отключать ген прыжка приматов в среде клеток мыши.
«Мы проводили все наши тесты на клетках мышей, потому что в них отсутствуют все белки цинковых пальцев приматов, поэтому, когда вы помещаете ретротранспозоны приматов в клетку мыши, они все активны», — объяснил Салама.Результаты продемонстрировали, что два человеческих белка, названные ZNF91 и ZNF93, связывают и репрессируют два основных класса ретротранспозонов (известных как SVA и L1PA), которые в настоящее время или недавно активны у приматов. Ассистент ученого-исследователя Бенедикт Патен направил аспиранта Нган Нгуена к тщательному анализу геномов приматов, включая реконструкцию геномов предков, который показал, что ZNF91 претерпел структурные изменения 8–12 миллионов лет назад, которые позволили ему подавить элементы SVA.Эксперименты с ZNF 93, который отключает ретротранспозоны L1PA, предоставили поразительную иллюстрацию гонки вооружений между прыгающими генами и репрессорами.
Исследователи обнаружили, что, хотя он хорошо отключает многие элементы L1PA, есть одна подгруппа недавно развившейся линии L1PA, которая потеряла короткий участок ДНК, который включает сайт связывания ZNF93. Без сайта связывания эти прыгающие гены уклоняются от репрессии ZNF93. Интересно, что когда исследователи вернули недостающую последовательность в один из этих генов и поместили ее в клетку мыши без ZNF93, они обнаружили, что она лучше прыгает.
Таким образом, даже несмотря на то, что последовательность помогает при прыжковой активности, ее потеря дает прыгающему гену преимущество у приматов, позволяя ему избежать репрессии со стороны ZNF93.«Это своего рода вишенка на торте для поклонников молекулярной эволюции, потому что она демонстрирует, что это бесконечная гонка», — сказал Салама. «Белки цинковых пальцев KRAB — это редкий класс белков, которые быстро расширяются и развиваются в геномах млекопитающих, что имеет смысл, потому что сами мобильные элементы постоянно развиваются, чтобы избежать репрессии».Автор-корреспондент Дэвид Хаусслер, профессор биомолекулярной инженерии и директор Института геномики Калифорнийского университета в Санта-Крус, сказал, что исследование включало тесное сотрудничество между «влажной лабораторией» его группы, управляемой Саламой, и «сухой лабораторией», где исследователи под руководством Патена использовали вычислительные инструменты биоинформатики генома для реконструкции эволюционной истории геномов приматов. Хаусслер, исследователь из Медицинского института Говарда Хьюза, который использовал свой опыт в области компьютерных наук для выполнения новаторских работ в области геномики, сказал, что он создал лабораторию влажных исследований, чтобы обеспечить именно такое сотрудничество.
«Обе части были неотъемлемой частью этого исследования, и между ними было много споров. Эта статья показывает, насколько важно интегрировать вычислительные и экспериментальные подходы к фундаментальным научным проблемам, например, как и почему мы постоянно развиваемся, чтобы стать более совершенными. комплекс ", сказал Хаусслер.