Прыгающие гены работают вместе для контроля запрограммированного удаления в геноме

Ученые обнаружили новое семейство молекул, которые совместно работают для точного удаления нежелательной ДНК во время размножения одноклеточных пресноводных организмов — инфузорий.

Это открытие имеет важные последствия для понимания механизма удаления (или "вырезания") и перестройки генов, который играет ключевую роль в развитии и эволюции многих видов. Результаты опубликованы в eLife.

Транспозоны — это фрагменты ДНК, которые перемещаются по геному с помощью ферментов транспозаз. В ходе эволюции организмы могут "приручать" (доместицировать) гены транспозонов и использовать их для получения новых функций.

Транспозазы семейства PiggyBac неоднократно подвергались доместикации у различных организмов. Их функция изучена плохо, но известно, что они играют важную роль в размножении инфузорий, таких как Paramecium.

При размножении этих одноклеточных организмов происходит значительная амплификация генома и удаление большой доли повторяющегося генетического материала, включая транспозоны. В частности, происходит точное вырезание 45 000 некодирующих последовательностей (Internal Eliminated Sequences), которые в противном случае прерывали бы 47% всех генов в геноме.

"Мы знали, что PiggyMac — доместицированная транспозаза семейства PiggyBac — отвечает за разрезание ДНК. Но мы не знали, как именно машинерия удаления точно позиционируется на концах этой ДНК", — объясняет ведущий автор Жюльен Бишерур.

В этом исследовании команда идентифицировала пять дополнительных групп транспозаз семейства PiggyBac, которые работают вместе с PiggyMac для точного удаления специфических фрагментов ДНК в геноме Paramecium. Подавляя активность разных доместицированных транспозаз PiggyBac, ученые обнаружили, что каждая группа играет архитектурную роль и необходима для перемещения PiggyMac в ядро клетки во время размножения и последующего удаления генов.

Блокирование активности транспозаз PiggyBac вызывало ряд ошибок в процессе удаления. Это показало, что некоторые члены семейства сохраняют активность, но процесс становится менее эффективным и точным. Также были получены данные о предпочтительной длине ДНК, которую разрезают эти молекулы. Тот факт, что некоторые последовательности было механически трудно удалить, проливает новый свет на возможные ограничения для удаления генов у Paramecium в ходе эволюции.

"Наше открытие новых партнеров PiggyMac, кодируемых пятью группами дуплицированных генов в геноме Paramecium, дает новое понимание механизма удаления этих некодирующих последовательностей транспозазами и более глубокое представление о задействованной машинерии", — объясняет старший автор Мирей Бетермье. "Основываясь на нашей работе, будущие исследования доместицированных транспозаз у человека должны учитывать возможность того, что эти молекулы могут быть совместно вовлечены в одну и ту же клеточную функцию".