Регуляция генов — это врожденное биологическое явление, которое позволяет организму включать и выключать гены с высокой точностью.
Характерное изображение гребневика.
iStock
Недавнее открытие меняет то, что ученые думали, что они понимают об истории контроля генов. Исследования, проведенные на конусных желе и губках Центром геномной регуляции (CRG) и Национальным центром геномного анализа (CNAG) в Испании, показывают, что дистальная регуляция — способность контролировать гены на расстоянии — развилась гораздо раньше в эволюционной истории, чем считалось ранее.
Предполагается, что этот сложный геномный механизм развился 650–700 миллионов лет назад, на 150 миллионов лет раньше, чем считалось ранее, почти на заре появления животных.
«Это существо могло бы перепрофилировать свой генетический набор инструментов по-разному, как швейцарский нож, что позволило бы ему совершенствовать и исследовать инновационные стратегии выживания. Мы не ожидали, что этот уровень сложности окажется настолько древним», — говорит доктор Яна Ким, первый автор исследования.
Что такое регуляция генов?
Регуляция генов — это врожденное биологическое явление, которое позволяет организму включать и выключать гены с высокой точностью. В отличие от менее сложных организмов, которые используют смежные переключатели для выключения и включения генов в цепях ДНК, более сложные организмы разработали механизмы для активации генов на большом расстоянии посредством сложного сворачивания ДНК в трехмерные петли.
Энергетически затратная пространственная координация ДНК и белков позволяет многоклеточным организмам со сложными программами дифференциации открывать новые типы клеток без полной перестройки геномной схемы.
«Вы можете открыть для себя много нового в биологии, наблюдая за странными морскими существами. До сих пор мы сравнивали последовательности геномов. Тем не менее, благодаря новым методам, теперь мы можем анализировать, какие механизмы регуляции генов контролируют функцию генома у разных видов», — объясняет профессор-исследователь ICREA Арнау Себе-Педрос, соавтор исследования.
Геномная машина времени
Чтобы выяснить, когда и как развилась дистальная регуляция, группа изучила трехмерные геномы 11 видов, представляющих ранние ветви животного древа, включая морской орех (Mnemiopsis leidyi), гребневика, плакозои, книдарий и губок.
Используя передовую технологию Micro-C, которая отображает, как ДНК сворачивается внутри клетки, исследователи изучили более 10 миллиардов фрагментов данных секвенирования.
Результаты оказались замечательными: одноклеточные организмы не имели признаков дальнего контроля над генами, но многие ранние ветвящиеся животные имели тысячи петель в своих компактных геномах. Морской орех имеет более 4000 петель ДНК, что весьма примечательно, учитывая, что его геном состоит всего из 200 миллионов букв ДНК по сравнению с 3,1 миллиарда букв генома человека.
Еще одним сюрпризом стало открытие, что ранние животные достигли этого цикла без CTCF, белка, который долгое время считался необходимым для сворачивания генома у позвоночных. Вместо этого гребневики используют другой белок из того же структурного семейства, что говорит о том, что эволюция нашла несколько решений одной и той же проблемы.
Формирование современной жизни
Это открытие имеет глубокие последствия. Сегодня люди по-прежнему зависят от дистальной регуляции, чтобы различать клетки мозга, клетки кожи и бесчисленное множество других типов, несмотря на то, что в каждой клетке одна и та же ДНК.
Когда эта система регулирования выходит из строя, это может привести к болезни. Прослеживая ее происхождение вплоть до самых ранних животных Земли, ученые получают критически важное понимание того, как развивались системы контроля генов, и как их можно восстановить, если они выходят из строя.
«Впечатляет, что одна и та же проблема была решена с использованием разных инструментов. Благодаря этой работе мы знаем, что можно использовать два разных белка для соединения дистальных фрагментов ДНК в пространстве, образуя петлю. Разве эволюция не чудесна?» — заключает профессор-исследователь ICREA Марк А. Марти-Реном.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
