Так называемый «прыгающий ген», который исследователи долгое время считали либо генетическим мусором, либо пагубным паразитом, на самом деле является важным регулятором первых стадий эмбрионального развития, согласно новому исследованию на мышах, проведенному учеными Калифорнийского университета в Сан-Франциско. и опубликовано 21 июня 2018 г. в Cell.
Только около 1 процента человеческого генома кодирует белки, и исследователи уже давно спорят, для чего пригодны остальные 99 процентов. Известно, что многие из этих небелковых кодирующих областей содержат важные регуляторные элементы, управляющие активностью генов, но другие считаются эволюционным мусором, который слишком сложно очистить геном.
Например, половина нашей ДНК состоит из «мобильных элементов», или «транспозонов», вирусоподобного генетического материала, обладающего особой способностью к дублированию и реинсерции в разных местах генома, что заставило исследователей окрестить их генетическими паразитами. В ходе эволюции некоторые транспозоны оставили сотни или тысячи своих копий, разбросанных по геному. В то время как большинство из этих безбилетных пассажиров считаются инертными и неактивными, другие создают хаос, изменяя или нарушая нормальное генетическое программирование клеток, и связаны с такими заболеваниями, как определенные формы рака..
Теперь ученые Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружили, что наиболее распространенный транспозон, называемый LINE1, который составляет 20 или более процентов человеческого генома, на самом деле необходим для развития эмбрионов после двух последних лет. -клеточная стадия.
'Игра с огнем'
Study старший автор Мигель Рамальо-Сантос, доктор философии, доцент кафедры акушерства/гинекологии и репродуктивных наук и член Центра Эли и Эдит Броуд по регенеративной медицине и исследованиям стволовых клеток в UCSF, интересовался транспозонами с тех пор, как он впервые создал свою лабораторию в качестве независимого научного сотрудника UCSF в 2003 году.
Он и другие наблюдали, что эмбриональные стволовые клетки и ранние эмбрионы экспрессировали высокие уровни LINE1, что казалось парадоксальным для гена, который считался опасным паразитом, вызывающим болезни. «Учитывая стандартное представление о транспозонах, эти ранние эмбрионы действительно играли с огнем», - вспоминает он. «Это просто не имело никакого смысла, и я подумал, не происходит ли что-то еще».
Проект стартовал, когда Мишель Першард, доктор философии, присоединилась к лаборатории в качестве постдокторского исследователя в 2013 году и быстро увлеклась энтузиазмом Рамальо-Сантоса по поводу парадокса LINE1.«Когда я увидел всю РНК LINE1, присутствующую в ядре развивающихся клеток, я согласился, что она должна играть какую-то роль», - сказал Перчард. «Зачем позволять вашим клеткам производить так много этой РНК, если она либо опасна, либо ничего не делает?»
Чтобы определить, действительно ли высокий уровень экспрессии РНК LINE1 в мышиных эмбрионах важен для развития животных, Percharde провел эксперименты по удалению LINE1 РНК из эмбриональных стволовых клеток мыши. К своему удивлению, она обнаружила, что паттерн экспрессии генов в этих клетках изменился, вернувшись к паттерну, наблюдаемому у двухклеточных эмбрионов после первого деления оплодотворенной яйцеклетки. Команда попыталась устранить LINE1 из оплодотворенных яйцеклеток и обнаружила, что эмбрионы полностью утратили способность развиваться дальше двухклеточной фазы.
"Когда мы увидели, что клетки меняют свою идентичность, когда мы удалили РНК LINE1, это было наше настоящее "Ага!" момент, который сказал нам, что мы что-то сделали», - сказал Перчард.
Дальнейшие эксперименты показали, что, хотя ген LINE1 экспрессируется в ранних эмбриональных и стволовых клетках, его роль заключается не в том, чтобы внедряться где-то еще в геноме. Вместо этого его РНК оказывается в ловушке внутри клеточного ядра, где она образует комплекс с регуляторными белками генов нуклеолином и Kap1. Этот комплекс необходим, чтобы отключить доминирующую генетическую программу, управляющую двухклеточным состоянием эмбриона, контролируемую геном Dux, и включить гены, необходимые эмбриону для дальнейшего деления и развития клеток.
Дублирование может повысить надежность
Исследование заняло пять лет и потребовало от Перчарда изобретения нескольких новых методов изучения транспозонов. роли прыгающих генов.
«Эти гены были с нами миллиарды лет и составляли большую часть наших геномов на протяжении сотен миллионов лет», - сказал Рамальо-Сантос.«Я думаю, будет справедливо спросить, являются ли 1,5 процента генов, кодирующих белок, «безбилетниками», а не наоборот».
Рамальо-Сантос предполагает, что транспозоны, такие как LINE1, могут сделать тонкие ранние стадии развития более устойчивыми именно потому, что они настолько вездесущи. Поскольку LINE1 повторяется в геноме тысячи раз, мутация практически не может нарушить его функцию: если одна копия плохая, ее место займут тысячи других.
«Теперь мы думаем, что эти ранние эмбрионы играют с огнем, но очень расчетливо», - сказал Рамальо-Сантос. «Это может быть очень надежный механизм регулирования развития».
«Ученые проделали так много работы над генами, кодирующими белки, и они составляют менее 2 процентов генома, тогда как транспозоны составляют почти 50 процентов», - добавил Перчард. «Я лично рад продолжить изучение новых функций этих элементов в развитии и болезнях."