В статье, опубликованной 22 октября 2015 года в Cell, ученые Солка сообщают об обнаружении ДНК человека и шимпанзе, приправленной последовательностями генетического кода, который они назвали ORF0, который распространяется по всему геному за счет прыгающих генов. Последовательности ORF0 могут производить сотни или даже тысячи ранее неизвестных белков.
Обилие экземпляров ORF0 в геноме человека предполагает, что он играл — и до сих пор играет — важную роль в эволюционном разнообразии и гибкости, служа механизмом для генерации новых белков. Открытие этих мобильных фабрик белка также может пролить свет на происхождение генетических мутаций, ответственных за рак, психические расстройства и другие заболевания.
«Это открытие показывает, что прыгающие гены являются даже более важным источником вариаций в геноме приматов, чем мы думали, независимо от того, смотрите ли вы на уровне разных видов, разных людей или даже разных клеток в теле человека», — говорит Расти. Гейдж, старший автор статьи и профессор лаборатории генетики Солка.
С секвенированием генома человека стало ясно, что прыгающие гены — мобильные генетические элементы, впервые обнаруженные у кукурузы Барбарой МакКлинток в начале 1950-х годов, — также присутствовали и были очень активны во время эволюции человека.
Около половины генома человека возникло из последовательностей генетического кода, которые перемещали или вставляли дополнительные копии самих себя по всему геному.
Эволюционная важность прыгающих генов была подчеркнута результатами другого недавнего исследования Гейджа и его сотрудников из Стэнфорда. В исследовании использовались технологии стволовых клеток, разработанные в лаборатории Гейджа, чтобы изучить, как различия в экспрессии генов влияют на структуру лица человека и шимпанзе.
Результаты, также опубликованные в Cell, предполагают, что прыгающие гены сыграли роль в эволюционном расколе между людьми и другими приматами.
В более позднем исследовании, в котором была обнаружена ORF0, Гейдж и его коллеги сосредоточились на классе прыгающих генов, известных как элементы LINE-1, которые составляют около 17 процентов генома человека.
Эти элементы содержат весь необходимый генетический механизм для перемещения себя и других классов прыгающих генов без посторонней помощи в другое место генома.
Ранее считалось, что элементы LINE-1 содержат всего две последовательности, кодирующие белки, конечный продукт генов, которые выполняют широкий спектр функций в наших клетках и органах.
Эти последовательности известны как открытые рамки считывания (ORF), и две ранее известные последовательности, ORF1 и ORF2, как полагают, участвуют в производстве белков, которые важны для перемещения элементов LINE-1 в геноме.
В своем новом исследовании Гейдж и его коллеги обнаружили третью открытую рамку считывания. Они назвали его ORF0 в зависимости от его положения в элементе LINE-1 рядом с ORF1. Ученые обнаружили ORF0 примерно в 3500 местах в ДНК человека и примерно в 3000 местах в геномах шимпанзе и большинства других приматов.
Структура элементов LINE-1 такова, что, когда элемент перемещается в другой сайт, существует вероятность того, что последовательность ORF0 может смешаться с генетическими последовательностями в новом месте в ДНК. Результатом новых последовательностей генов может быть новый белок. С точки зрения эволюции, это представляет собой способ создания совершенно новых молекул, которые могут быть полезны для вида. С другой стороны, перетасовка существующей последовательности ORF0 во время прыжка может привести к мутации, вызывающей заболевание.
«Это открытие перерисовывает план важной части генетического механизма у приматов, добавляя совершенно новое оборудование», — говорит Ахмет Денли, штатный научный сотрудник лаборатории Гейджа и первый автор статьи, сообщающей о результатах. «Прыгающие гены с ORF0 — это в основном белковые фабрики с колесами, и на протяжении веков эволюция управляла автобусом."
Теперь, когда они идентифицировали ORF0 в геноме приматов, Денли говорит, что они планируют определить, сколько экземпляров ORF0 на самом деле кодируют белки, и исследовать, какую функцию эти белки выполняют.
Исследователи также планируют изучить поведение ORF0 при различных типах клеток и заболеваниях. Они особенно заинтересованы в изучении его роли в онкологических заболеваниях и неврологических расстройствах, таких как шизофрения, где предыдущие исследования показали, что могут быть задействованы прыгающие гены.