До недавнего времени было мало известно о роли мигрирующих генетических элементов, но теперь ученые приходят к выводу, что они важны для регуляции экспрессии генов и генетической эволюции, - пишет eurekalert.org.
Транспозируемые элементы - это маленькие кусочки ДНК, которые могут размножаться и распространяться в геноме. Хотя они составляют почти половину человеческого генома, их часто игнорировали и считали «бесполезным мусором» с минимальной или вовсе отсутствующей ролью для генома. Новое исследование, проведенное Адамом Дилем, Нинсин Оуянг и Аланом Бойлом из Медицинской школы Мичиганского университета и сотрудниками Центра биомедицины показывают, что транспозируемые элементы играют важную роль в регуляции экспрессии генов, что способствует пониманию генетической эволюции.
Транспозируемые элементы перемещаются по клетке, и, попадая в разные места, иногда меняют способ взаимодействия нитей ДНК в трехмерном пространстве и, следовательно, структуру трехмерного генома. По-видимому, треть трехмерных контактов в геноме на самом деле связана с мигрирующими элементами, что приводит к пониманию огромного вклада этих элементов в циклическую изменчивость и демонстрирует их очень важную роль в генетической экспрессии и эволюции.
Основным компонентом, который определяет трехмерную структуру, является белок под названием CTCF. В этом исследовании особое внимание уделялось тому, как элементы создают новые участки CTCF, которые, в свою очередь, захватывают существующую геномную структуру, образуя новые трехмерные контакты в геноме. Авторы показывают, что они часто создают вариабельные петли, которые могут влиять на регуляторную активность и экспрессию генов в клетке. Эти результаты были обнаружены в клетках человека и мыши и показывают, как мигрирующие элементы способствуют внутривидовой изменчивости и межвидовой дивергенции. Теперь этой темой будут заниматься дальнейшие исследования в таких областях, как регуляция генов, регулятивная эволюция, петлевая дивергенция и биология транспозируемых элементов.
Чтобы упростить эту работу, авторы разработали программное обеспечение MapGL, чтобы отслеживать появление или потери коротких генетических последовательностей между видами. Например, последовательность, существовавшая в наиболее распространенном предке, могла быть затем утеряна или, наоборот, могла отсутствовать в общем предке, но позже была получена в геноме человека. MapGL позволяет прогнозировать эволюционные влияния структурных различий между видами и делает этот тип анализа гораздо более доступным. Благодаря разработанному программному обеспечению был зафиксирован набор участков связывания CTCF, это показало, что процесс получения/потери последовательности объясняет многие различия в связывании CTCF между людьми и мышами.
Имея опыт работы в области компьютерных наук и молекулярной биологии, Алан Бойл объясняет, что он всегда интересовался генной регуляцией. «Это похоже на сложную схему: нарушение регуляции гена путем изменения трехмерной структуры генома может иметь очень разные и широкомасштабные последствия и результаты».
Для Адама Диля это исследование продолжает великие открытия, которые начались в конце 1800-х годов, когда ученые впервые посмотрели на форму хромосом через микроскопы. Они наблюдали различия в форме между клетками и заметили, что форма внутри ядер оставалась одинаковой между материнской и дочерней клетками. Спустя десятилетия в его альма-матер, Корнелльском университете, были обнаружены транспозируемые элементы: выяснилось, что прыгающие гены могут изменить фенотипы растений кукурузы. В 70-х годах стали больше исследовать, как используются гены, поскольку выяснили, что гены между людьми и шимпанзе слишком похожи, чтобы объяснить различия между видами. По словам Диля, «это так здорово - синтезировать все эти знания и внести свой вклад в следующий этап истории эволюции видов».
Эта исследовательская группа будет дополнительно изучать влияние
транспозируемых элементов на трехмерный геном, но на этот раз с
особым интересом к одному образцу популяции человека, а не по
видам. Следующие шаги будут включать экспериментальное наблюдение
с использованием нового метода секвенирования, способного
идентифицировать вставки транспозируемых элементов, которые
являются переменными в разных популяциях людей. Этот метод был
разработан в сотрудничестве с лабораторией Райана Миллса в
Медицинском институте Мичиганского университета. Ожидается, что
следующие результаты будут способствовать пониманию регулирующей
роли транспозируемых элементов с возможным применением для
нейродегенеративных заболеваний.
[Фото: eurekalert.org]
