Геном группирует гены для удобства, как инструкция

Каждая клетка живого организма содержит полную копию ДНК, плотно упакованную в хромосомы. Когда клетке нужно выполнить функцию, она активирует гены, которые открывают или закрывают разные участки ДНК. Как при чтении инструкции с последовательными страницами, проще активировать два гена, расположенных ближе друг к другу, для выполнения функции.

До сих пор было мало известно о том, как геном эукариот организует группы генов в соответствии с их функцией, то есть находятся ли они физически близко. Ранее изучалась связь между кластерами генов и вторичным метаболизмом.

В исследовании, опубликованном в Nature Microbiology, учёные из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне под руководством профессора ICREA Тони Габальдона пролили свет на этот процесс сортировки в первичном метаболизме. Они выбрали для изучения грибы, потому что у них меньшие геномы, и их проще секвенировать, чем геномы других эукариот, таких как растения или животные.

«Если гены, отвечающие за определённый биологический процесс, расположены в хромосоме рядом, они могут координированно и эффективнее корегулировать друг друга», — говорит Габальдон.

Учёные разработали алгоритм, способный идентифицировать гены, расположенные рядом в геномах разных видов, на основе их эволюционной истории — искали консервативные кластеры у разных видов грибов, независимо от их функции. Они предсказали более 11000 семейств сгруппированных генов в геноме. Среди 300 проанализированных геномов они обнаружили, что треть генов является частью консервативной группы.

«Естественный отбор означает, что некоторые гены находятся рядом из-за функциональной значимости. Их организация — не случайность, она была отобрана, потому что облегчает регуляцию генов. Мы выяснили, что это довольно распространено и затрагивает значительную часть генома», — говорит Габальдон. — «Селективные силы благоприятствуют таким конформациям генов, которые требуют меньших затрат энергии и улучшают регуляторные процессы».

Предыдущие исследования групп генов, связанных с вторичным метаболизмом, показали, что у них есть «переключатель» — особый фактор транскрипции для включения и выключения. Также наблюдалось, что эти группы генов передаются от одного вида к другому целиком (горизонтальный перенос), хотя причина была неизвестна.

Учёные CRG теперь представили доказательства, что горизонтальный перенос может быть менее распространён, чем считалось ранее, и предыдущие наблюдения не отражают картину в целом по геному. Они увидели, что кластер из одинаковых групп генов независимо возник дважды в параллельных далёких линиях.

Группы генов, безусловно, выполняют конкретную функцию. «Когда вам что-то нужно в определённый момент, именно тогда требуется максимальная корегуляция. Общая функция, активная большую часть времени, не нуждается в такой точной регуляции», — говорит Марина Марсет-Хубен, первый автор исследования.

«Теперь у нас есть список функций для изучения. Некоторые могут иметь фармацевтический или промышленный потенциал. Кандидатные гены, которые мы нашли, затрагивают множество разных видов, где их ранее не обнаруживали. Многие из них — интересные гены, и вполне вероятно, что они кодируют функцию с прикладным потенциалом», — добавляет Габальдон.

Выводы исследования основаны на публичных базах данных. Поэтому CRG также обнародовал свои результаты по генам первичного метаболизма. «Мы хотим вернуть эти знания научному сообществу благодаря информации и данным, собранным из публичных источников».