Гонка вооружений внутри одного генома

Биологические гонки вооружений — обычное дело в природе. На молекулярном уровне менее известные, но не менее важные «соревнования» разворачиваются внутри самого генома. В новом исследовании биологи из Университета Пенсильвании впервые представили доказательства двусторонней геномной гонки вооружений между участками тандемных повторов ДНК, называемыми сателлитной ДНК, и быстро эволюционирующими белками, которые связываются с этими повторами.

Хотя сателлитная ДНК не кодирует гены, она может вносить вклад в выполнение важных биологических функций, таких как формирование молекулярных машин, обрабатывающих и поддерживающих хромосомы. Нарушение регуляции сателлитных повторов может приводить к сбоям в этих процессах, что является отличительной чертой рака и бесплодия.

Экспериментальное доказательство

Используя два близкородственных вида плодовых мушек (Drosophila melanogaster и D. simulans), исследователи создали межвидовое несоответствие, например, подставив сателлитную ДНК одного вида под сателлит-связывающий белок другого вида. Это привело к серьёзным нарушениям фертильности, что подчеркивает хрупкий эволюционный баланс даже на уровне одного генома.

«Мы видим, что существует антагонистическая эволюция между этими элементами, которая может влиять на эти, казалось бы, консервативные и необходимые молекулярные пути», — говорит Кара Бранд, первый автор работы, опубликованной в Current Biology. «Это означает, что для поддержания статус-кво в ходе эволюции требуется постоянное обновление».

Решение парадокса

Сателлитные повторы, которые у D. melanogaster составляют около половины генома, долгое время считались «геномным мусором». Однако они выполняют важные функции, связанные с целостностью и структурой генома. Это создавало парадокс: как быстро эволюционирующие и потенциально вредные элементы могут быть необходимы?

Теория, выдвинутая в 2001 году, предполагала коэволюцию: сателлиты быстро меняются, а связывающие их белки эволюционируют, чтобы успевать за ними. Новое исследование впервые экспериментально манипулировало обеими сторонами этой гонки, подтвердив теорию.

Ход эксперимента

1. Манипуляция белком: Учёные с помощью системы CRISPR/Cas9 заменили ген белка Maternal Haploid (MH) у D. melanogaster на версию от D. simulans. У самок мух с «чужеродным» белком MH значительно снизилась фертильность, они откладывали меньше яиц из-за повреждения ДНК в яичниках.
2. Манипуляция сателлитом: Когда тот же эксперимент с заменой белка MH повторили на линии D. melanogaster, у которой отсутствует огромный сателлитный повтор в 11 миллионов пар нуклеотидов, негативных эффектов не наблюдалось. Это доказало, что дисфункция вызвана именно несовместимостью между конкретным белком и конкретным сателлитом.
3. Механизм: Белок MH (чьего ближайшего родственника у человека называют Spartan) участвует в «очистке» ДНК от застрявших на ней белков. Учёные предположили, что «чужеродный» белок MH начинает неправильно расщеплять нужные белки, в частности, топоизомеразу II (Top2), которая распутывает ДНК. Эксперименты подтвердили это: избыток Top2 восстанавливал фертильность, а её недостаток — усугублял снижение.

Значение за пределами мух

«Нет причин полагать, что эти гонки вооружений происходят только у мух», — говорит Миа Левин, старший автор работы. «Аналогичные белки и сателлиты у приматов также быстро эволюционируют, что говорит о широкой значимости нашего исследования».

Гены, изученные в этой работе, важны для здоровья человека. Мутации в гене Spartan связаны с онкологическими заболеваниями, а неэффективная регуляция сателлитной ДНК может пролить свет на причины бесплодия и выкидышей.

«Количество выкидышей remarkably высоко, и, безусловно, сателлитная ДНК является неизученным источником анеуплоидии и нестабильности генома», — отмечает Левин.