В природе полно паразитов - организмов, которые процветают и размножаются за счет других видов. Удивительно, но те же конкурирующие роли паразита и хозяина можно обнаружить в микроскопическом молекулярном мире клетки. Новое исследование, проведенное двумя исследователями из Иллинойса, продемонстрировало, что динамические элементы человеческого генома взаимодействуют друг с другом таким образом, который сильно напоминает модели, наблюдаемые в популяциях хищников и жертв.
Выводы, опубликованные физиками Чи Сюэ и Найджелом Голденфельдом в журнале Physical Review Letters, являются важным шагом на пути к пониманию сложных способов изменения геномов в течение жизни отдельных организмов и того, как они развиваются на протяжении поколений.
«Это гены, которые активны и редактируют геном в реальном времени в живых клетках, и это начало попыток действительно понять их гораздо более подробно, чем это делалось раньше», - сказал Гольденфельд, который возглавляет тему исследований биосложности в Институте универсальной биологии Карла Р. Вёзе (IGB). «Это помогает нам понять эволюцию сложности и эволюцию геномов».
Гольденфельд и Сюэ приступили к этой работе из-за своего интереса к транспозонам, небольшим участкам ДНК, которые могут перемещаться из одной части генома в другую в течение жизни клетки - способность, которая принесла им название «прыгающие гены». В совокупности различные типы транспозонов составляют почти половину генома человека. Когда они перемещаются, они могут создавать мутации или изменять активность функционального гена; Таким образом, транспозоны могут создавать новые генетические профили в популяции, на которые естественный отбор может воздействовать как положительным, так и отрицательным образом.
Исследователи из Иллинойса хотели узнать больше о том, как эволюция работает на этом уровне, уровне целых организмов, изучив метафорическую экосистему человеческого генома. С этой точки зрения физическая структура ДНК, из которой состоит геном, действует как среда, в которой два типа транспозонов, длинные вкрапленные ядерные элементы (LINE) и короткие вкрапленные ядерные элементы (SINE), имеют конкурентные отношения друг с другом.. Чтобы размножаться, SINE крадут молекулярные механизмы, которые LINE используют для копирования себя, что-то вроде того, как кукушка обманом заставляет других птиц вырастить для нее своих птенцов, оставив при этом своих собственных.
С помощью Олега Симакова, исследователя из Окинавского института науки и технологий, Сюэ и Гольденфельд сосредоточились на биологии элементов L1 и элементов Alu, соответственно распространенных типов LINE и SINE в геноме человека.
Исследователи переняли методы современной статистической физики и математически смоделировали взаимодействие между элементами Alu и L1 как стохастический процесс - процесс, возникающий из случайных взаимодействий. Этот метод успешно применяется в экологии для описания взаимодействия хищник-жертва; Сюэ и Гольденфельд смоделировали движения транспозонов в человеческом геноме с помощью одного и того же математического метода. Их модели включали подробный отчет о том, как элементы Alu крадут молекулярный механизм, который элементы L1 используют для копирования самих себя.
Результаты Сюэ и Гольденфельда предсказали, что популяции элементов LINE и SINE в геноме, как ожидается, будут колебаться так же, как, например, у волков и кроликов.
«Мы поняли, что взаимодействие транспозонов на самом деле очень похоже на взаимодействие хищника и жертвы в экологии», - сказал Сюэ. «Нам пришла в голову идея, почему бы нам не применить ту же идею динамики хищник-жертва… мы ожидали увидеть колебания, которые мы наблюдаем в модели хищник-жертва. Итак, мы сначала провели моделирование и увидели колебания, которых мы ожидали, и мы были очень взволнованы».
Другими словами, слишком много SINE и LINE начинают страдать, и вскоре их становится недостаточно для использования всех SINE. SINE начинают страдать, и LINE возвращаются. Модель Сюэ и Гольденфельда сделала неожиданное предсказание, что эти колебания происходят в течение времени, превышающего продолжительность жизни человека, - волны элементов Alu и элементов L1 толкают и притягивают друг друга в замедленном движении через поколения человеческих геномов, которые их несут.
«Самым поучительным аспектом исследования для меня был тот факт, что мы действительно могли вычислить шкалу времени и увидеть, что мы можем наблюдать эти вещи», - сказал Гольденфельд. «У нас есть предсказание того, что происходит в отдельных клетках, и мы можем провести эксперимент, чтобы наблюдать за этими вещами, хотя период больше, чем время жизни отдельной клетки».
В связанном исследовании лаборатория Гольденфельда сотрудничала с лабораторией коллеги-физика и члена исследовательской темы IGB Biocomplexity Томаса Кульмана, чтобы визуализировать движения транспозонов в геномах живых клеток. Используя эту инновационную технологию и изучая историю молекулярной эволюции других видов, Гольденфельд и Сюэ надеются проверить некоторые предсказания, сделанные их моделью, и продолжить познавать динамический мир генома.