Внезапно: "прыгающий ген", считавшийся мусорным, имеет решающее значение для развития эмбриона
75% человеческой ДНК является "мусорной", но бесполезна ли она? Вероятно. Но, точно, далеко не вся. По крайней мере, один из генов, считавшийся "ненужным" и даже опасным, оказался важнейшим регулятором раннего развития эмбриона.
Когда в 1950-х годах учёные впервые узнали, как ДНК кодирует инструкции для производства белков, из которых строится весь организм, они предположили, что абсолютно вся генетическая информация человека представляет важность. Но к 1970-м стало ясно, что лишь 1% нашего генома кодирует функциональные (работающие) белки, а некоторые части ДНК выполняют совсем другие задачи, например, регулируют активность генов, кодирующих белки.
В то время генетики пришли к выводу, что совершенно бесполезно около 90% нашего генома. Однако позднее и это представление начало претерпевать изменения, например, в 2017 году было доказано, что бесполезным, хотя и безвредным для организма генетическим материалом является 75% ДНК. Её также называют некодирующей, или мусорной.
Впрочем, не все специалисты были уверены в полной бесполезности и такой части ДНК. И они оказались правы.
В новой работе команда из Калифорнийского университета в Сан-Франциско изучала один из "прыгающих генов", также известных как транспозоны. Этим термином называют участки ДНК, способные к передвижению (транспозиции) и размножению в пределах генома.
Подобные мобильные генетические элементы, как уточняют эксперты, составляют половину всей нашей ДНК. Их считают вирусоподобным генетическим мусором. Известно, что в ходе эволюции некоторые "прыгающие гены" оставляли сотни и даже тысячи вариантов, рассеянных по всему геному живого организма. И если большинство из них считаются неактивным, то другие могут создавать настоящий генетический хаос, изменяя или нарушая нормальное генетическое программирование клеток, что вызывает опасные заболевания, например, рак.
Мигел Рамалью-Сантуш (Miguel Ramalho-Santos), который возглавил новое исследование, изучает транспозоны с 2003 года. Учёный сосредоточился на группе "прыгающих генов" под общим названием LINE1, одной из самых распространённых (составляет более 20% человеческого генома).
Эти гены, как и многие другие, считались "генетическим паразитом", но теперь команда генетиков и репродуктологов доказала, что на самом деле они является важным регулятором эмбрионального развития клетки на ранних этапах.
Исследователи заметили, что эмбриональные стволовые клетки, а также эмбрионы на самых первых стадиях развития активно порождают белки, благодаря генам группы LINE1. Такая тенденция казалась нелогичной, ведь эти гены могут быть потенциально опасным, поясняет Рамалью-Сантуш.
"Эти ранние эмбрионы действительно играли с огнём. Это просто не имело никакого смысла, и я задался вопросом, происходит ли что-то ещё", — вспоминает учёный.
Соавтор работы Мишель Перчарде (Michelle Percharde) рассуждает: "Когда я увидела всю РНК LINE1, присутствующую в ядре развивающихся клеток, я согласилась, что она должна играть определённую роль. Почему клетки производят так много этой РНК, если это либо опасно, либо бесполезно?". Напомним, что молекула РНК создаётся в клетке "на базе" ДНК.
Специалисты решили выяснить, чем обусловлены высокие уровни экспрессии генов группы LINE1 на примере эмбрионов мышей. Когда они ликвидировали РНК, кодируемую этими генами, из эмбриональных стволовых клеток, то увидели, что экспрессия генов изменилась. Клетки словно "поменяли личность" и продемонстрировали экспрессию генов образца так называемой двухклеточной фазы, в которую переходит эмбрион после первого деления оплодотворённой яйцеклетки.
В другом эксперименте исследователи лишили оплодотворённые яйцеклетки самих генов LINE1, и в результате эмбрионы полностью потеряли возможность достигнуть следующей стадии развития после двухклеточной.
Дальнейшие эксперименты подтвердили, что роль генов LINE1 заключается не в том, чтобы бесконтрольно копировать и вставлять новый генетический материал в разные части генома. Вместо этого специалисты увидели, что РНК LINE1 попадает в ядро клетки, где образует комплексное соединение с двумя белковыми регуляторами генов.
Получившийся комплекс отключает доминирующую генетическую программу, которая отвечает за образование двух клеток эмбриона, и включает гены, которые необходимы для дальнейшего деления. Иными словами, без участия генов LINE1 эмбрион попросту "застревает" на этой стадии и не может развиваться дальше.
Команда планирует продолжить изучать роль "прыгающих генов" и надеется, что и другие учёные обратят внимание на их функциональность и в итоге убедятся в полезности "генетических паразитов".
"Эти гены были с нами миллиарды лет и занимали большую часть нашего генома в течение сотен миллионов лет. Я думаю, справедливее спросить, является ли 1,5% генов, кодирующих белки, "безбилетниками", а не наоборот", — считает Рамалью-Сантуш.
По его мнению, транспозоны, подобные LINE1, помогают эмбриону пройти сложную раннюю стадию развития именно потому, что являются столь распространёнными. Поскольку LINE1 повторяется в геноме тысячи раз, практически невозможно, чтобы какая-либо мутация (а их, как известно, порождается очень много) сбила генетическую программу с пути истинного. Даже если одна копия будет "испорчена", останется ещё очень много "правильных" копий, которые позволят эмбриону развиться в полноценный организм.
"Это может быть очень надёжным механизмом регулирования развития", — заключает исследователь.
Научная статья по итогам этой работы была опубликована в издании Cell.
Кстати, ранее выяснилось, что "прыгающие гены" играют важную роль в размножении растений и необычной эволюции гиббонов.