Новое международное исследование показывает, что древняя вирусная ДНК, встроенная в наш геном и долгое время считавшаяся генетическим «мусором», может играть важную роль в регуляции экспрессии генов.
Основные выводы
Исследователи из Японии, Китая, Канады и США, сосредоточившись на семействе последовательностей под названием MER11, показали, что эти элементы эволюционировали, чтобы влиять на включение и выключение генов, особенно на ранних этапах развития человека.
Публикация результатов
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Переходные элементы в геноме
Переходные элементы (ПЭ) — это повторяющиеся последовательности ДНК в геноме, возникшие из древних вирусов. За миллионы лет они распространились по всему геному с помощью механизмов копирования и вставки.
Сегодня ПЭ составляют почти половину генома человека. Хотя раньше считалось, что они не выполняют полезных функций, недавние исследования показали, что некоторые из них действуют как «генетические переключатели», контролируя активность соседних генов в определённых типах клеток.
Сложности изучения переходных элементов
Из-за высокой повторяемости и почти идентичной последовательности ПЭ их изучение может быть затруднено. В частности, молодые семейства ПЭ, такие как MER11, плохо классифицированы в существующих геномных базах данных, что ограничивает нашу способность понимать их роль.
Новый метод классификации
Для преодоления этой проблемы исследователи разработали новый метод классификации ПЭ. Вместо использования стандартных инструментов аннотации они сгруппировали последовательности MER11 на основе их эволюционных взаимоотношений и степени сохранения в геномах приматов.
Это позволило разделить MER11A/B/C на четыре отдельные подсемейства: MER11_G1–G4, от самого древнего к самому молодому.
Результаты классификации
Новая классификация выявила ранее скрытые закономерности регуляторного потенциала генов. Исследователи сравнили новые подсемейства MER11 с различными эпигенетическими маркерами, которые представляют собой химические метки на ДНК и связанных с ней белках, влияющих на активность генов.
Это показало, что новая классификация более тесно связана с фактической регуляторной функцией по сравнению с предыдущими методами.
Прямой тест регуляторной функции
Чтобы напрямую проверить, могут ли последовательности MER11 контролировать экспрессию генов, команда использовала метод под названием lentiMPRA (лентивирусный массово-параллельный репортёрный анализ). Этот метод позволяет одновременно тестировать тысячи последовательностей ДНК, вставляя их в клетки и измеряя, насколько каждая из них повышает активность генов.
Исследователи применили этот метод почти к 7000 последовательностям MER11 от человека и других приматов и измерили их эффекты в стволовых клетках человека и нейронных клетках на ранней стадии.
Результаты
Результаты показали, что MER11_G4 (самое молодое подсемейство) обладает сильной способностью активировать экспрессию генов. У него также есть особый набор регуляторных «мотивов», которые представляют собой короткие участки ДНК, служащие местами стыковки для факторов транскрипции — белков, контролирующих включение генов.
Дальнейший анализ показал, что последовательности MER11_G4 у человека, шимпанзе и макаки со временем накапливали небольшие изменения. У человека и шимпанзе некоторые последовательности приобрели мутации, которые могли увеличить их регуляторный потенциал в стволовых клетках человека.
Ведущий исследователь доктор Сюнь Чен объясняет, что молодые MER11_G4 связываются с особым набором факторов транскрипции, указывая на то, что эта группа приобрела различные регуляторные функции через изменения последовательности и способствует видообразованию.
Заключение
Исследование предлагает модель для понимания того, как «мусорная» ДНК может эволюционировать в регуляторные элементы, играющие важные биологические роли. Отслеживая эволюцию этих последовательностей и напрямую тестируя их функцию, исследователи продемонстрировали, как древняя вирусная ДНК была использована для формирования активности генов у приматов.
«Наш геном был секвенирован давно, но функция многих его частей остаётся неизвестной», — отмечает соавтор исследования доктор Иноуэ. Переходные элементы, как полагают, играют важную роль в эволюции генома, и их значение, как ожидается, станет яснее по мере продвижения исследований.
Предоставлено Киотским университетом.