Открыта "невероятная" система модификации ДНК у животных

Ваша ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, - это молекула, состоящая из двух длинных нитей нуклеотидов, которые наматываются друг на друга, образуя двойную спираль. Это наследственный материал человека и почти всех других организмов, который несет в себе генетические инструкции для развития, функционирования, роста и воспроизводства. Почти каждая клетка в организме человека имеет одну и ту же ДНК. Большая часть ДНК находится в ядре клетки (где она называется ядерной ДНК), но небольшое количество ДНК также может быть найдено в митохондриях (где она называется митохондриальной ДНК или мтДНК)".

В ДНК содержится чертеж, по которому строится ваше тело, но это живой документ: Коррективы в конструкцию могут вноситься эпигенетическими метками. Изучение этих меток и того, как они работают, важно для понимания биологии и генетики, а также для разработки методов лечения заболеваний и расстройств.

У человека и других эукариот известны две основные эпигенетические метки. Но команда из Чикагского университета обнаружила третью, новую эпигенетическую метку - ранее известную только у бактерий - у маленьких пресноводных животных, называемых бделлоидными коловратками.

Об этом фундаментальном и удивительном открытии было сообщено 28 февраля 2022 года в журнале Nature Communications.

"Мы обнаружили еще в 2008 году, что бделлоидные коловратки очень хорошо захватывают чужеродные гены", - говорит старший автор исследования Ирина Архипова, старший научный сотрудник Центра имени Джозефин Бэй Пол Морской биологической лаборатории. "Мы обнаружили, что коловратки около 60 миллионов лет назад случайно захватили бактериальный ген, который позволил им ввести новую эпигенетическую метку, которой раньше не было".

Прыгающие гены

Эпигенетические метки - это модификации оснований ДНК, которые не изменяют основной генетический код, но "записывают" поверх него дополнительную информацию, которая может быть унаследована вместе с геномом. Эпигенетические метки обычно регулируют экспрессию генов, включая или выключая их, особенно на ранних стадиях развития или когда организм находится в состоянии стресса. Они также могут подавлять транспозоны, или "прыгающие гены", которые могут угрожать целостности вашего генома.

Это открытие знаменует собой первый случай, когда горизонтально перенесенный ген - то есть ген, полученный от другого организма не в результате полового размножения, - как было показано, изменяет систему регуляции генов у эукариот.

"Это очень необычно и ранее не сообщалось", - сказала Архипова. "Считается, что горизонтально перенесенные гены - это преимущественно операционные гены, а не регуляторные. Трудно представить, как один горизонтально перенесенный ген может сформировать новую регуляторную систему, потому что существующие регуляторные системы уже очень сложны".

"Это почти невероятно", - говорит соавтор первого исследования Ирина Юшенова, научный сотрудник лаборатории Архипова.

Юшенова объяснила, как должен был происходить этот процесс: "Попробуйте представить себе, что где-то в далеком прошлом кусок бактериальной ДНК соединился с куском эукариотической ДНК. Оба они соединились в геноме коловратки и образовали функциональный фермент. Это не так просто сделать даже в лаборатории, а тут это произошло естественным образом. А затем этот составной фермент создал удивительную регуляторную систему, и бделлоидные коловратки смогли начать использовать ее для управления всеми этими прыгающими транспозонами. Это похоже на волшебство".

Транспозоны - термин для обозначения генов, которые перемещаются с места на место внутри генома - могут изменять генетический код как в лучшую, так и в худшую сторону, поэтому держать их под контролем очень важно.

"Вы не хотите, чтобы транспозоны прыгали по вашему геному", - сказал первый автор исследования Фернандо Родригес, также научный сотрудник лаборатории Архиповой. Они могут все испортить, поэтому вы хотите держать их под контролем". И эпигенетическая система для достижения этой цели у разных животных разная. В данном случае горизонтальный перенос генов от бактерий к бделлоидным коловраткам создал новую эпигенетическую систему у животных, которая не была описана ранее".

"Бделлоидные коловратки, особенно, должны держать свои транспозоны в узде, потому что они размножаются в основном бесполым путем", - говорит Архипова. У бесполых линий меньше средств для подавления распространения вредоносных транспозонов, поэтому добавление дополнительного слоя защиты может предотвратить мутационный крах". Действительно, содержание транспозонов у бделлоидов гораздо ниже, чем у половых эукариот, у которых нет этого дополнительного эпигенетического слоя в системе защиты генома".

В двух ранее известных эпигенетических метках у эукариот метильная группа добавляется к основанию ДНК - цитозину или аденину. Недавно обнаруженная командой метка также представляет собой модификацию цитозина, но с отчетливым бактериальным расположением метильной группы - по сути, повторяя эволюционные события более чем двухмиллиардной давности, когда возникли обычные эпигенетические метки у ранних эукариот.

Бделлоидные коловратки - чрезвычайно живучие животные, как выяснили за годы работы в лаборатории Архиповой и Дэвида Марка Уэлча в MBL. Они могут полностью высыхать на несколько недель или месяцев, а затем возвращаться к жизни, когда появляется вода. Во время сухих фаз их ДНК распадается на множество фрагментов.

"Когда они регидратируются или иным образом делают доступными концы своей ДНК, это может стать возможностью для переноса в геном коловратки фрагментов чужеродной ДНК из проглоченных бактерий, грибов или микроводорослей", - говорит Архипова. Как выяснилось, около 10 процентов генома коловраток происходит из неметазойских источников.

Тем не менее, в лаборатории Архиповой были удивлены, обнаружив в геноме коловратки ген, похожий на бактериальную метилтрансферазу (метилтрансфераза - это вид молекул, катализирующих перенос метильной группы в ДНК). "Мы предположили, что этот ген наделяет нас новой функцией подавления транспозонов, и потратили последние шесть лет, чтобы доказать, что это действительно так", - говорит Архипова.

Пока еще рано говорить о последствиях открытия этой новой эпигенетической системы у коловраток. Но параллельные открытия оказали большое влияние на биологию.

"Хорошим сравнением является система CRISPR-Cas в бактериях, которая начиналась как открытие в области фундаментальных исследований. Сейчас CRISPR-Cas9 используется повсеместно как инструмент для редактирования генов в других организмах", - сказал Родригес. "Это новая система. Будет ли она иметь применение, последствия для будущих исследований? Пока трудно сказать".