Биологи выяснили, почему 3D-структура генов усложнялась по ходу эволюции

Ученые Института биологии гена РАН и МГУ имени М.В. Ломоносова на примере генов, кодирующих белки гемоглобина, показали, что одной из важных тенденций в эволюции генома является возникновение пространственных взаимосвязей между удаленными участками хромосом. Результаты исследования, опубликованного в журнале Molecular Biology and Evolution, объясняют причины возникновения некоторых форм болезней крови. Работа ученых поддержана грантом Российского научного фонда.

В ходе эволюции увеличивалось число генов, изменялась их структура, терялись старые функции и приобретались новые, изменялись порядок их расположения и место в геноме. Эти процессы обеспечили все то бесконечное многообразие жизненных форм, что нас окружает. Долгое время молекулярная эволюция геномов рассматривалась как эволюция их линейной структуры, а особенности пространственной организации и архитектуры геномов при этом не учитывались.

Линейный геном представляет собой полимер длиной около двух метров, упакованный в клеточном ядре диаметром около 10 микрон. Плотно упаковать геном помогает то, что ДНК вместе с белками находится в хроматине — веществе хромосом, внутри которого генетическая информация передается от нуклеиновых кислот белкам. Существует несколько уровней упаковки геномной ДНК, в том числе организация хроматиновой фибриллы в петли и компактные домены (глобулы). Эти структуры образуются в результате взаимодействий между генами и специализированными геномными элементами, регулирующими работу этих генов. Из-за особенностей упаковки ДНК в клеточном ядре гены могут оказываться рядом, даже если они находятся далеко друг от друга на молекуле ДНК или в разных хромосомах.

Пример такого сближения можно видеть при изучении пространственного расположения глобиновых генов и их регуляторных элементов. Глобиновые гены кодируют белки, которые входят в состав гемоглобина — сложного белкового комплекса, транспортирующего кислород по организму у всех позвоночных животных.

У холоднокровных позвоночных гены, кодирующие разные субъединицы гемоглобина, собраны в единый кластер, а у теплокровных они находятся на разных хромосомах. «Мы показали, что кластер глобиновых генов у рыб разделен на две независимые части: линейную и глобулярную. Гены, собранные в глобулу, находятся под контролем общего регуляторного элемента, а гены, которые не участвуют в формировании глобулы, работают независимо как друг от друга, так и от глобулярной части кластера и ее регуляторного элемента», — рассказывает автор исследования, член-корреспондент РАН Сергей Разин, сотрудник биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института биологии гена РАН. По-видимому, у общего предка позвоночных кластер глобиновых генов также был разделен на две части, и из двух вариантов — линейного и глобулярного — в ходе эволюции лишь один остался «рабочим», считают ученые. «Оказалось, что именно глобулярная организация имеет очевидные эволюционные преимущества», — добавляет Разин.

Результаты исследования биологов позволят лучше понять механизмы регуляции экспрессии глобиновых генов и объяснить причины возникновения некоторых форм заболеваний крови, не связанных с непосредственной утратой глобиновых генов (к таким, например, относятся некоторые талассемии).

«Если говорить об общебиологическом значении нашей работы, то важно, что она продемонстрировала тенденцию к усложнению пространственной организации генома по ходу эволюции. По нашему мнению, это напрямую связано с усложнением регуляторных систем, контролирующих гены у человека и теплокровных животных», — считает Сергей Разин.