Древняя вирусная ДНК в организме человека влияет на экспрессию генов

Исследователи пересмотрели классификацию значительной части ранее непонятой вирусной ДНК, встроенной в человеческий геном, и обнаружили тысячи последовательностей, способных регулировать активность генов. Эти последовательности, известные как длинные концевые повторы эндогенных ретровирусов, раньше группировались в общие семейства на основе сходства последовательностей. Новое исследование применило филогенетический подход, который выявил отдельные эволюционные подсемейства с разными биологическими функциями.

Работа сосредоточилась на элементах MER11 — классе ретровирусных длинных концевых повторов, попавших в геном приматов миллионы лет назад. Используя эволюционные деревья, построенные на основе тысяч последовательностей, исследователи выделили четыре новых подсемейства: MER11_G1, G2, G3 и G4. Около одной пятой всех элементов MER11 в человеческом геноме были переклассифицированы на основе этого уточнённого подхода.

Вместо предположения, что все последовательности MER11 ведут себя одинаково, анализ показал, что каждая группа развивалась по-разному у приматов. Самая молодая группа, MER11_G4, активна на ранних стадиях развития человека, особенно в эмбриональных и нейральных стволовых клетках. Более древние группы, такие как MER11_G1, почти не проявляли регуляторной активности. В стволовых клетках последовательности MER11_G4 содержали мотивы ДНК, соответствующие сайтам связывания транскрипционных факторов, участвующих в росте и дифференцировке.

Чтобы подтвердить этот эффект, учёные провели масштабный функциональный тест. Они вставили более 16 тысяч фрагментов ДНК в человеческие стволовые клетки и измерили их влияние на экспрессию генов. Фрагменты MER11_G4 показали наиболее сильные сигналы активации среди всех протестированных групп. Эти регуляторные эффекты были связаны с наличием мотивов транскрипционных факторов, таких как SOX17 и POU2F1::SOX2.

Сравнение с другими приматами показало, что многие из этих мотивов присутствуют только у людей и шимпанзе, но почти отсутствуют у макак. Команда связала эти различия с конкретными делециями (удалениями) нуклеотидов, которые слегка изменили код ДНК, создав новые сайты связывания. Эти изменения позволили ранее молчащим вирусным фрагментам влиять на экспрессию генов.

Однонуклеотидные делеции сыграли ключевую роль в формировании регуляторных элементов. Одно такое удаление в MER11_G4 создало SOX-связанный мотив, который соответствовал высоким уровням экспрессии в тестовой системе. Эти небольшие изменения в геноме оказали значительное влияние на активность последовательностей.

Исследование также выявило репрессорные сигналы, подавляющие активацию генов. Некоторые группы MER11 содержали сайты, связываемые KRAB-цинковыми пальцами — белками, известными своей способностью подавлять вирусные последовательности. Разные подсемейства демонстрировали разную степень такого подавления. MER11_G3 проявлял как активирующие, так и репрессивные свойства, что указывает на жёсткую регуляцию некоторых вирусных фрагментов, которые могут активироваться только в определённых условиях.

Уточнив классификацию MER11, учёные применили свой метод к другим семействам эндогенных ретровирусов. Они использовали тот же филогенетический подход для 18 групп длинных концевых повторов, что привело к открытию 75 новых подсемейств и переклассификации почти 4 тысяч отдельных последовательностей.

Многие из вновь обнаруженных подсемейств показали чёткие паттерны регуляторной активности, которые не были видны при старых аннотациях. Некоторые были активны в эмбриональных стволовых клетках, другие — в клетках мезодермы или нейральных линий. Каждая группа демонстрировала уникальные паттерны доступности хроматина и связывания транскрипционных факторов.

В одном случае исследователи повторно проанализировали известное семейство LTR7. Их новая классификация хорошо согласовалась с предыдущими исследованиями регуляции генов в плюрипотентных клетках. Другие группы, включая LTR5, LTR6 и MER9, также показали улучшенное разрешение при анализе на основе филогенетических связей, а не простого сравнения последовательностей.

Команда обнаружила, что регуляторная активность зависит не только от активаторных мотивов, но и от потери или ослабления репрессорных сигналов. Некоторые мутации удаляли известные сайты связывания репрессорных белков, что делало окружающую последовательность более склонной к участию в регуляции генов. Данные указывают на то, что как появление, так и исчезновение мотивов связывания способствует превращению древней вирусной ДНК в функциональные энхансеры.

Обновлённые аннотации также выявили межвидовые различия. Некоторые вирусные фрагменты, обладающие сильной энхансерной активностью у человека, отсутствовали или были неактивны у макак. Другие были общими, но демонстрировали разные паттерны меток хроматина или связывания белков. Эти различия могут объяснить, как регуляция генов развивалась по-разному у приматов.

У макак большинство последовательностей MER11_G4 не содержали SOX-мотивов, характерных для людей и шимпанзе. Эти мотивы возникли благодаря делециям, произошедшим после отделения от макак. Последовательности с мотивами SOX17 у человека активировали гены значительно сильнее, чем те, где их не было, что указывает на недавнее приобретение регуляторной функции в ходе эволюции приматов.

Исследование также изучило взаимодействие разных подсемейств с белками, формирующими архитектуру генома. Некоторые новые подсемейства LTR содержали сайты связывания для CTCF, RAD21 и ZNF143 — белков, участвующих в организации трёхмерной структуры ДНК. Эти паттерны говорят о том, что древние вирусные последовательности стали частью системы, контролирующей укладку и функционирование генома.

Учёные измерили активность в разных типах клеток, чтобы подтвердить роль этих вирусных фрагментов в развитии. Некоторые подсемейства были активны только в эмбриональных стволовых клетках, другие включались при переходе к нейральным или мезодермальным линиям. Эти паттерны активности позволяют предположить, что переклассифицированные вирусные фрагменты ДНК участвуют в регуляции генов на определённых стадиях развития.

В общей сложности около 30% изученных длинных концевых повторов были отнесены к новым подсемействам. Эти уточнения в системе аннотаций улучшают возможность связывать конкретные последовательности с биологическими эффектами. Они также открывают новые пути для изучения того, как формируются и поддерживаются регуляторные сети в геноме.

Результаты ставят под сомнение давнее предположение, что большая часть ретровирусной ДНК неактивна. Теперь известно, что многие из этих последовательностей участвуют в регуляции генов. Некоторые интегрировались в процессы развития и могут играть важную роль в ранних эмбриональных стадиях.

Усовершенствованный метод классификации позволяет исследователям определять, какие вирусные фрагменты функциональны и как они менялись со временем. В нескольких случаях одной мутации было достаточно, чтобы превратить молчащую последовательность в активный энхансер. Эти результаты подчёркивают важность анализа конкретных последовательностей при изучении повторяющейся ДНК.

Обновлённая карта регуляторных последовательностей важна для понимания эволюции, регуляции генов и болезней. Элементы, которые раньше игнорировались или неправильно классифицировались, теперь могут быть признаны значимыми для человеческой биологии. По мере применения этих методов к новым участкам генома количество известных функциональных элементов, вероятно, увеличится.

Это исследование наглядно показывает, как древние вирусные инфекции изменили геном измеримым образом. Выявляя точные изменения, которые привели к появлению новых регуляторных функций, учёные теперь могут отслеживать влияние этих последовательностей во времени, у разных видов и на разных стадиях развития.