Ранее недооцениваемое взаимодействие в геноме оказалось, возможно, одной из движущих сил возникновения развитой жизни миллиарды лет назад.?
Это открытие началось с интереса к ретротранспозонам, известным как «прыгающие гены», которые представляют собой последовательности ДНК, которые копируют и вставляют себя в геном, быстро размножаясь. Почти половина генома человека состоит из ретротранспозонов, но у бактерий их почти нет.
Найджел Голденфельд, заведующий кафедрой физики Университета Иллинойса и Института геномной биологии им. Карла Р. Вёзе, и Томас Кульман, бывший профессор физики в Иллинойсе, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Риверсайде, задались вопросом, почему это.
«Мы подумали, что очень просто попробовать - просто взять один (ретротранспозон) из моего генома и поместить его в бактерии, чтобы посмотреть, что произойдет», - сказал Кульман. "И это оказалось действительно очень интересно."
Их результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, придают больше глубины истории того, как развитая жизнь могла возникнуть миллиарды лет назад, а также могут помочь определить возможность и природу жизни на других планеты.
На пути к объяснению жизни исследователи впервые столкнулись со смертью, то есть со смертью бактерий. Когда они поместили ретротранспозоны в бактерии, исход был фатальным.
«Поскольку они прыгают и копируют себя, они прыгают в гены, необходимые бактериям для выживания», - сказал Кульман. «Это невероятно смертельно для них».
Когда ретротранспозоны копируют себя внутри генома, они сначала находят место в ДНК и разрезают его. Чтобы выжить, организм должен восстановить этот порез. У некоторых бактерий, таких как E. coli, есть только один способ восстановления, который обычно заканчивается удалением нового ретротранспозона. Но у продвинутых организмов (эукариот) есть дополнительный «трюк», называемый негомологичным соединением концов, или NHEJ, который дает им еще один способ восстанавливать разрезы в своей ДНК.
Голденфельд и Кульман решили посмотреть, что произойдет, если они дадут бактериям возможность делать NHEJ, думая, что это поможет им переносить повреждение их ДНК. Но ретротранспозоны стали лучше размножаться, нанося еще больший ущерб, чем раньше.
«Это просто полностью убило все», - сказал Кульман. «В то время я думал, что просто делаю что-то не так».
Они поняли, что взаимодействие между NHEJ и ретротранспозонами может быть более важным, чем они думали ранее.
Эукариоты, как правило, имеют много ретротранспозонов в своем геноме, наряду с большим количеством другой «мусорной» ДНК, функция которой не совсем понятна. Внутри генома должно быть постоянное взаимодействие между NHEJ и ретротранспозонами, поскольку NHEJ пытается контролировать скорость размножения ретротранспозонов. Это дает организму больше власти над своим геномом, а наличие «мусорной» ДНК имеет важное значение.
«По мере того, как в вашей ДНК появляется все больше и больше мусора, вы можете начать брать эти фрагменты и комбинировать их по-разному, больше способов, чем вы могли бы без всего этого мусора», - сказал Кульман..
Эти условия - накопление «мусорной» ДНК, наличие ретротранспозонов и их взаимодействие с NHEJ - усложняют геном. Это одна из особенностей, которая может отличать развитые организмы, такие как люди, от более простых, таких как бактерии.
Развитые организмы также могут управлять своим геномом, используя свою сплайсосому, молекулярную машину, которая сортирует «мусорную» ДНК и восстанавливает гены до нормального состояния.
Некоторые части сплайсосомы похожи на интроны группы II, примитивную версию ретротранспозонов бактерий. Интроны также обнаружены у эукариот и наряду со сплайсосомой эволюционно произошли от интронов группы II. Гольденфельд сказал, что это ставит эволюционный вопрос.
«Что было первым, сплайсосома или интроны группы II? Очевидно, интроны группы II», - сказал он. «Тогда вы можете спросить: откуда эукариотическая клетка впервые получила эти интроны группы II, чтобы построить сплайсосому на раннем этапе?»
Это исследование предполагает, что интроны группы II, предки интронов в сплайсосомах и ретротранспозонов у эукариот, каким-то образом вторглись в ранние эукариотические клетки. Затем их взаимодействие с NHEJ создало «давление отбора», которое привело к появлению сплайсосомы, которая помогла жизни стать развитой миллиарды лет назад.
Сплайсосома помогла жизни стать более развитой, позволив эукариотам делать больше со своей ДНК. Например, хотя у людей примерно такое же количество генов, как у червя C. elegans, люди могут делать с этими генами больше.
«Нет большой разницы между этим очень простым червем и людьми, которые явно безумны», - сказал Гольденфельд. «Происходит то, что люди могут брать эти гены и смешивать и сочетать их во многих комбинациях, чтобы выполнять гораздо более сложные функции, чем это делает C. elegans».
NHEJ и ретротранспозоны не только помогли в создании сплайсосомы; это исследование предполагает, что они, возможно, также помогли сделать хромосомы - молекулы ДНК, содержащие генетический материал - более совершенными. Взаимодействия между NHEJ и ретротранспозонами, возможно, способствовали переходу от кольцевых хромосом (которые обычно есть у бактерий) к линейным (которые есть у более развитых организмов), что является еще одним показателем развитой жизни..
Гольденфельд сказал, что до этого исследования многие исследователи изучали роль ретротранспозонов, но важность NHEJ не была полностью оценена. Это исследование доказывает, что миллиарды лет назад он сыграл свою роль в том, что эукариоты стали современными организмами, которые мы знаем сегодня.
"Это, конечно, было не единственное, что происходило", - сказал Гольденфельд. «Но если бы этого не произошло, трудно понять, как у вас могла бы быть сложная жизнь».
Это исследование помогает ответить на более важные вопросы, на которые Институт универсальной биологии, Институт астробиологии НАСА, которым руководит Гольденфельд, пытается ответить, например: что должно было произойти, чтобы жизнь стала развитой?
Более подробный ответ на этот вопрос может помочь ученым определить возможность существования жизни на других планетах.
"Если жизнь существует на других планетах, то, по-видимому, можно было бы ожидать, что она будет микробной. Могла ли она когда-либо совершить этот переход к сложной жизни?" - сказал Гольденфельд. «Дело не в том, что вы неизбежно получите продвинутую жизнь, потому что есть куча вещей, которые должны произойти».
Физическая перспектива этого исследования помогает количественно определить эти теоретические вопросы. Эта количественная оценка исходит из простого проведения измерений в лаборатории и использования этих измерений для создания моделей эволюции, как это было сделано в этом исследовании..
При этом базовые измерения в лаборатории становятся машиной времени в прошлое.
«Мы занимаемся лабораторной эволюцией», - сказал Гольденфельд. «Мы смотрим на то, какие эволюционные процессы должны были произойти миллиарды лет назад».