«О чем молчит хроматин?»: биологи выяснили роль «прыгающих генов» в эволюции мушек-дрозофил

Ученые на примере мушек-дрозофил выяснили, что «прыгающие гены», или мобильные генетические элементы, могут влиять на работу генов. Перемещаясь по геному, эти элементы могут распространять вокруг себя специальные метки, которые замалчивают до трети соседних генов. Исследователи также обнаружили, что у разных популяций мушек активны разные наборы «прыгающих генов». Кроме того, близкие виды дрозофил постоянно обмениваются этими элементами друг с другом. Поскольку «прыгающие гены» есть в геномах всех живых организмов, включая человека, полученные данные помогут лучше понять их роль в эволюции и поддержании генетического разнообразия видов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

У большинства живых организмов в геноме содержится множество мобильных элементов, или «прыгающих генов». Это последовательности, которые могут практически в любой момент времени создать свою копию и вставить ее в случайном месте генома. «Прыгающие гены» увеличивают генетическое разнообразие видов, необходимое для их выживания. Но, с другой стороны, неконтролируемое перемещение таких элементов может нарушить работу важных генов и привести к образованию мутаций. Поэтому ученые стремятся лучше понять функции «прыгающих генов» и их влияние на различные живые организмы.

Ученые из Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН (Москва) с коллегами впервые составили карту распределения мобильных элементов в геномах плодовых мушек Drosophila virilis. Этот вид дрозофил отличается большим разнообразием повторяющихся последовательностей, которые возникли из-за копирования и «перепрыгивания» генов.

Проанализировав последовательности и расположение мобильных элементов в пяти различных линиях дрозофил, ученые показали, что эти насекомые в ходе эволюции трижды приобретали разные группы «прыгающих генов», а их набор оказался индивидуальным для разных линий мух. Также авторы выяснили, что близкие виды дрозофил могут обмениваться между собой мобильными элементами: такие гены многократно появляются в геномах насекомых, затем исчезают и вновь возвращаются. Это может происходить в результате скрещивания двух особей, принадлежащих к различным близкородственным видам, или из-за укусов паразитических клещей, мигрирующих с особи одного вида на особь другого вида.

Чтобы понять, как мобильные элементы влияют на работу окружающих их генов, ученые определили, где в ДНК расположены специфические молекулярные метки — химические модификации белков-гистонов, на которые, как нить на катушку, «намотана» ДНК. Такие молекулярные метки могут, подобно переключателям, «включать» или «выключать» гены.

Оказалось, что «прыгающие гены» способны навешивать на соседние гены «молчащие» метки, подавляющие их работу. Такие метки могут распространяться на значительные расстояния — до 4000 «букв» ДНК — и заставить «замолчать» до 35% генов, оказавшихся по соседству. Однако в некоторых случаях вставка мобильного элемента и вовсе не влияет на активность близлежащей ДНК. Это говорит о том, что эволюция использует мобильные элементы для тонкой настройки генетической активности.

«Ранее считалось, что мобильные элементы ДНК — это своего рода генетический балласт, последовательности, которые вовсе не нужны. Однако, на примере дрозофил мы показали, что мобильные элементы крайне важны для регулирования работы генов. Создав подробную базу мобильных элементов у Drosophila virilis и проанализировав ландшафт их перемещений, мы смогли проследить конкретный механизм, с помощью которого мобильный элемент может "выключать" соседние гены, распространяя на них молекулярные метки. Знание этих процессов поможет понять, как эволюционируют геномы самых разных организмов, в том числе человека, как они сохраняют стабильность во времени, одновременно оставаясь пластичными и способными к эволюционным изменениям. В дальнейшем мы планируем изучить, как геном адаптируется к вторжению новых мобильных элементов и насколько тонко может настраиваться работа генов в ответ на такие встройки. Мы хотим понять, как эта регуляция передается и меняется в поколениях, закрепляется ли она, сглаживается или, наоборот, усиливается со временем. Ответы на эти вопросы помогут разобраться, как геномы находят баланс между защитой от "генетических паразитов" и использованием их для собственного развития», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Фуников, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов биологической адаптации Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Института биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН (Москва), Московского физико-технического института (Москва) и Университета Канзаса (США).

Читайте Indicator.Ru в телеграм-канале и в ВКонтакте

Прислать свой материал можно на почту news@inscience.news или в телеграм-бот. Следите за новостями российского научно-технологического пространства в телеграм-канале агрегатора.