Учёные обнаружили «эгоистичную ДНК», критически важную для раннего развития человека

Ключевой переходный этап в раннем развитии человека регулируется не нашими собственными генами, а подвижными генетическими элементами — транспозонами, как выяснили исследователи Sinai Health.

Это открытие меняет прежнее понимание этих загадочных сегментов ДНК и проливает новый свет на их роль в развитии человека и болезнях.

«Люди склонны думать о транспозонах как о вирусах, которые захватывают наши клетки с единственной целью — размножаться», — говорит старший соавтор исследования доктор Мигель Рамальо-Сантос.

«Но здесь мы обнаружили, что эти элементы — не просто геномные паразиты, а нечто необходимое для раннего развития», — сказал доктор Рамальо-Сантос.

Их исследование, опубликованное в журнале Developmental Cell, показывает, что транспозоны критически важны для нормального прогресса клеток человеческого эмбриона через ранние стадии развития, предотвращая их «возврат в прошлое».

Исследователи сосредоточились на транспозонах, известных как LINE-1 (длинные диспергированные ядерные элементы-1). В отличие от наших собственных генов, которые составляют менее 2% генома, элементы LINE-1 составляют ошеломляющие 20% генетического материала в наших клетках.

Некоторые из элементов LINE-1 могут размножаться и перемещаться по геному, встраиваясь в новые места. Поскольку они распространяются самостоятельно и могут нарушать нормальные функции генов, они получили прозвище «эгоистичная ДНК».

Долгие годы учёные считали эти элементы в основном вредными, иногда наносящими ущерб геному и способствующими различным заболеваниям — от гемофилии до неврологических расстройств и рака.

Доктор Хуань Чжан, старший соавтор и ведущий исследователь, изначально обратила внимание на то, что молекулы LINE-1 РНК в изобилии присутствуют в ранних эмбрионах. Это указывает на то, что элементы LINE-1 активны на этих критически важных ранних стадиях.

«Если транспозоны плохи и опасны, почему мы видим их активными в раннем эмбрионе? Это эмбрион, который только начинает формироваться. Любая опасная вставка в геном в этот момент будет передана всему остальному развитию индивида», — сказала доктор Чжан.

Когда доктор Чжан подавила экспрессию LINE-1 в культивируемых человеческих эмбриональных стволовых клетках (ЭСК), произошёл обратный процесс — клетки вернулись к более примитивной 8-клеточной стадии. На этой стадии каждая из восьми клеток идентична и тотипотентна, способна развиться как в эмбрион, так и в плаценту. Подавление LINE-1 блокировало этот переход.

Дальнейшие эксперименты показали, что молекулы РНК LINE-1 действуют как каркас, организующий ДНК в трёхмерном пространстве ядра клетки. Они помогают переместить хромосому 19 — содержащую ключевые гены для 8-клеточной стадии — в область ядра, где гены «заглушаются», что позволяет эмбриону беспрепятственно перейти к последующим стадиям.

«Мы показываем, что LINE-1 регулирует экспрессию генов в решающий поворотный момент, когда эмбрион начинает специализировать свои клетки для различных функций. Наши результаты указывают, что это не случайное событие, а жизненно важный эволюционный механизм», — сказала доктор Чжан.

Новая роль элементов LINE-1 отличается от их типичного поведения — «прыжков» в новые участки генома, что может вызывать вредные мутации. В этом критическом контексте элементы LINE-1 исключительно способствуют прогрессу развития, что подчёркивает их важность для раннего роста человека.

Это фундаментальное исследование имеет важные последствия для лечения бесплодия и использования стволовых клеток в регенеративной медицине. Кроме того, оно раскрывает новые роли LINE-1, которые теперь можно исследовать в контексте заболеваний, от неврологических расстройств до рака.