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.
Соавторы исследования: научные сотрудники и студенты лаборатории молекулярных механизмов биологической адаптации. Источник: Александр Резвых / Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН
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.
%20вследствие%20распространения%20«молчащих»%20меток%20хроматина%20(….jpg "Наглядная демонстрация подавления экспрессии генов (зеленый цвет) вследствие распространения «молчащих» меток хроматина (фиолетовый цвет) от инсерций мобильных элементов на последовательности генов pyd, Mal-A5 и Pdk. Источник: Александр Резвых / Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН")
Наглядная демонстрация подавления экспрессии генов (зеленый цвет) вследствие распространения «молчащих» меток хроматина (фиолетовый цвет) от инсерций мобильных элементов на последовательности генов pyd, Mal-A5 и Pdk. Источник: Александр Резвых / Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН
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).
