Борьба с геномными паразитами

В половых железах животных геномные паразиты, такие как транспозоны, представляют серьёзную угрозу для эволюционной приспособленности. Способность "прыгать" по геному часто приводит к опасным мутациям. Для защиты целостности генома животные развили сложный механизм — так называемый piRNA-путь — для подавления вредоносных транспозонов. О молекулярных процессах и вовлечённых факторах, составляющих этот путь, известно немного. Исследователи из Института молекулярной биотехнологии (IMBA) Австрийской академии наук (ÖAW) в Вене идентифицировали ~50 генов, играющих важную роль в piRNA-пути плодовой мушки Drosophila melanogaster.

Около 50% генома человека плотно заселено геномными паразитами, как и ДНК других животных, растений и грибов. Многие из этих "эгоистичных" элементов ДНК могут свободно перемещаться по генетическому материалу хозяина. Их называют транспозонами, и их подвижность вызывает разрывы ДНК и мутации, которые могут привести к серьёзным повреждениям генома.

Хотя транспозоны вредны, большинство организмов не удаляют их из своей ДНК специально. Такое масштабное вмешательство может нести слишком большой риск для геномов половых клеток и, следовательно, для репродуктивной приспособленности вида. Чтобы справиться с потенциальной опасностью, растения и животные обладают системами защиты — своего рода "иммунной системой генома". Во всех случаях они основаны на механизмах сайленсинга с помощью малых РНК и, вероятно, восходят к ранним дням эволюции эукариот. Эти древние системы сайленсинга способны избирательно подавлять экспрессию транспозонов, не позволяя им наносить ущерб.

У животных наиболее заметным из этих путей сайленсинга является piRNA-путь. В его основе лежат комплексы RISC, состоящие из белков PIWI, связанных с piRNAs длиной 22-30 нт. С помощью малой РНК комплексы PIWI распознают РНК транспозонов, что индуцирует деградацию этой РНК и негативно влияет на кодирующий локус в ДНК хозяина, подавляя транскрипцию транспозона.

Пионерская работа в IMBA

Область исследований piRNA относительно молода, и во всём мире существует лишь горстка экспертов. Один из них — молекулярный биолог Юлиус Бреннеке. Уже 7 лет руководитель группы IMBA исследует механизмы контроля транспозонов в половых железах дрозофилы. Дрозофила — одна из генетических "рабочих лошадок" молекулярных генетиков, и многие аспекты биологии piRNA были впервые изучены на этой модельной системе. Интерес Бреннеке к этой системе возник во время его постдокторских исследований в США: "Это один из самых древних конфликтов "хозяин-паразит", и понять его на молекулярном и генетическом уровне просто захватывающе".

Переехав в IMBA в Вену, он сумел утвердить эту высококонкурентную область исследований в Австрии. Его работа носит пионерский характер, поскольку архаичный piRNA-сигнальный путь и его механизмы всё ещё плохо изучены. "Мы действительно хотим детально понять, как мухе удаётся держать транспозоны под контролем", — говорит Бреннеке.

В своей последней работе Бреннеке и его команда сделали крупный шаг вперёд в изучении piRNA-пути. Используя смесь генетических, молекулярных и вычислительных методов, команда провела скрининг в яичниках дрозофилы на предмет факторов, вовлечённых в piRNA-путь. В общей сложности они исследовали 7000 различных генов и вручную проверили около 60 000 мух на наличие дефектов сайленсинга транспозонов.

Библиотека мух как золотая жила знаний

Для своего скрининга Бреннеке и его группа воспользовались библиотекой Венского центра РНК-интерференции дрозофилы (VDRC) — коллекцией из ~30 000 линий мух, каждая из которых позволяет "выключить" определённый ген в нужном типе клеток. Библиотека VDRC была создана в кампусе IMBA/IMP под руководством Барри Диксона и Кристины Келеман и сейчас управляется Campus Support Facility (CSF). Оттуда мухи рассылаются в институты и исследовательские центры по всему миру. "Венская библиотека мух — уникальный в мировом масштабе ресурс, позволяющий систематически изучать функцию генов практически во всех аспектах биологии дрозофилы", — отмечает Бреннеке.

За два года работы Бреннеке и его группа обнаружили около 50 генов, важных для полноценного функционирования piRNA-пути. Доминик Хандлер, аспирант лаборатории Бреннеке и первый автор исследования, поясняет: "Для многих из идентифицированных генов можно найти ортологичные гены и в геноме человека. Таким образом, наши результаты окажут широкое влияние на общее понимание этой системы подавления транспозонов". Некоторые из обнаруженных генов необходимы для биогенеза piRNA, другие же связывают систему защиты с базовыми процессами, такими как метаболизм митохондрий, транспорт РНК, транскрипция или биология хроматина.

Сигнальный путь с большим потенциалом

Полученные результаты задают основу для множества направлений будущих исследований, подчёркивает Бреннеке. Идентифицированные факторы сыграют ключевую роль в понимании механистической основы пути, а также станут уникальными точками входа для понимания того, как эта система сайленсинга встроена в общий процесс оогенеза. Ключевые вопросы в этом направлении: как piRNAs передаются из поколения в поколение и какую эволюционную выгоду хозяин может извлекать из транспозонов. Бреннеке очарован тесным взаимодействием возможных преимуществ и опасностей, которые транспозоны и другие повторяющиеся последовательности несут для регуляции генома хозяина. Он уверен: "Основные концепции piRNA-пути высоко консервативны среди организмов. Я не сомневаюсь, что наши результаты будут иметь далеко идущие последствия для понимания эволюции генома и, возможно, даже аспектов медицины человека".