История генома: «Завоевать и поработить»

Учёные из Торонто выяснили, как остатки вирусов помогли сформировать контроль над нашими генами.

Гены включаются и выключаются белками — факторами транскрипции. Они связываются с определёнными участками ДНК, которые служат ориентирами.

В своей последней статье в Nature Biotechnology команда Тима Хьюза провела первое систематическое исследование самой большой группы человеческих факторов транскрипции — C2H2-ZF.

Эти белки, которых более 700 (около 3% всех человеческих генов), были мало изучены, так как сильно отличаются от аналогичных белков у других организмов, например, мышей.

Команда обнаружила, что причина такого обилия и разнообразия C2H2-ZF в том, что многие из них эволюционировали для защиты генома наших предков от повреждений «эгоистичной ДНК».

Эгоистичная ДНК — это паразитические фрагменты, чья единственная цель — размножаться. Они вставляют свои копии в случайные места генома, вызывая вредные мутации. Почти половина человеческого генома состоит из такой ДНК, вероятно, доставшейся от древних ретровирусов. Когда это происходит в яйцеклетке или сперматозоиде, вирусная ДНК передаётся следующему поколению и становится эндогенным ретроэлементом (ERE).

Данные Хьюза показывают, что ERE стали центром «эволюционной гонки вооружений», которая породила новую группу белков — C2H2-ZF.

«До этого исследования не было должного понимания, что ретроэлементы действительно являются движущей силой в эволюции самих факторов транскрипции. У всех млекопитающих есть целая куча специфических факторов транскрипции, которые возникли, чтобы заглушить ERE», — говорит Хьюз.

C2H2-ZF изначально эволюционировали, чтобы «выключать» ERE. По мере того как новые ERE вторгались в геном, появлялись новые C2H2-ZF, чтобы предотвратить нарушение работы генов.

Со временем ERE накопили мутации и стали безвредными. А C2H2-ZF взяли на себя новые функции. Они начали использовать рассеянные по геному ERE как «посадочные площадки» на ДНК, чтобы контролировать близлежащие гены. Завоёванные ERE были порабощены.

Пример: фактор транскрипции ZNF189 эволюционировал, чтобы подавлять древний ретроэлемент LINE L2, которому 100 миллионов лет. L2 теперь неактивен, но ZNF189 всё ещё связывается с его остатками, чтобы достичь других генов.

Обломки последовательностей L2 оказались рядом с генами, управляющими развитием мозга и сердца. Таким образом, ZNF189 смог взять на себя новую роль в формировании этих органов — вероятно, «притормаживая» гены мозга, но, возможно, включая гены в клетках сердца.

Эта история — наглядный пример того, насколько податливы геномы в руках эволюции.