Геном человека сформировался в ходе эволюционной гонки вооружений с самим собой

Исследование учёных Калифорнийского университета в Санта-Крузе показывает, что эволюционная гонка вооружений между мобильными элементами внутри геномов приматов привела к развитию сложных регуляторных сетей, управляющих активностью генов.

Гонка идёт между мобильными последовательностями ДНК, известными как ретротранспозоны ("прыгающие гены"), и генами, эволюционировавшими для их контроля. Исследователи впервые идентифицировали в геноме человека гены, кодирующие белки-репрессоры, которые подавляют конкретные прыгающие гены. Они также проследили быструю эволюцию этих генов-репрессоров в линии приматов.

Результаты, опубликованные 28 сентября в Nature, показывают, что в ходе эволюции геномы приматов пережили повторяющиеся эпизоды: мутации в прыгающих генах позволяли им избегать репрессии, что, в свою очередь, стимулировало эволюцию новых генов-репрессоров. Кроме того, репрессоры, изначально развившиеся для подавления прыгающих генов, впоследствии стали выполнять и другие регуляторные роли в геноме.

Ретротранспозоны — это, предположительно, остатки древних вирусов. Они могут реплицироваться только внутри генома. Вставка новой копии может нарушить работу нормальных генов и вызвать заболевание, поэтому естественный отбор благоприятствует механизмам, предотвращающим "прыжки". На прыгающие гены или "транспозоны" приходится не менее 50% генома человека, и ретротранспозоны среди них — самый распространённый тип.

Репрессоры, обнаруженные в исследовании, относятся к большому семейству KRAB цинковых пальцев (KRAB zinc finger proteins) — ДНК-связывающих белков, подавляющих активность генов. Это крупнейшее семейство регуляторных белков у млекопитающих. Геном человека содержит более 400 генов KRAB цинковых пальцев, и около 170 из них появились после ответвления примaтов от других млекопитающих.

Результаты подтверждают гипотезу, что расширение этого семейства генов-репрессоров было ответом на волны активности ретротранспозонов. Поскольку подавление прыгающего гена затрагивает и соседние с ним гены, эти репрессоры могли быть кооптированы для других регуляторных функций, которые сохранились и эволюционировали.

Для проверки гипотезы команда разработала новый метод, тестируя активность приматных ретротранспозонов в клетках мыши, которые лишены приматных белков-репрессоров. Результаты показали, что два человеческих белка — ZNF91 и ZNF93 — связываются и подавляют два основных класса ретротранспозонов (SVA и L1PA), активных в приматах.

Анализ показал, что ZNF91 претерпел структурные изменения 8–12 миллионов лет назад, что позволило ему репрессировать элементы SVA. В случае с ZNF93 был обнаружен яркий пример "гонки вооружений": подгруппа недавно эволюционировавших L1PA элементов потеряла короткий участок ДНК, содержащий сайт связывания ZNF93. Потеря этого участка дала им преимущество, позволив избежать репрессии, даже несмотря на то, что этот участок полезен для самой прыгающей активности.

Исследование стало результатом тесного сотрудничества экспериментальной ("мокрой") лаборатории и лаборатории биоинформатики ("сухой"), что подчёркивает важность интеграции вычислительных и экспериментальных подходов для понимания эволюционной сложности.