'Прыгающие гены' многократно формируют новые гены в ходе эволюции
Генетические элементы, подобно деталям Lego, могут комбинироваться для создания новых генов. Это подтверждает давно предложенный механизм образования генов — экзонный шаффлинг, который перемешивает функциональные блоки ДНК-последовательностей.
Исследование, опубликованное 19 февраля в Science, показывает, как в этот процесс вовлечены транспозоны, или «прыгающие гены». Они вносят свой вклад в сборку новых генов в ходе эволюции.
Транспозоны, открытые в 1940-х годах, составляют половину человеческой ДНК и способны «перепрыгивать» и самокопироваться в геноме. Некоторые из них содержат собственные гены, кодирующие ферменты транспозазы, которые вырезают и вставляют генетический материал.
Исследование, сфокусированное на тетраподах (четвероногих позвоночных), демонстрирует, что транспозоны являются важной силой в создании новых генов. Оно также объясняет происхождение генов, критически важных для развития человека.
«Мы думаем, что этот механизм, вероятно, распространяется и за пределы позвоночных и может быть более фундаментальным», — сказала первый автор Рэйчел Косби.
Учёные проанализировали геномы более 500 видов. Они искали слияния последовательностей, характерных для транспозонов, с последовательностями хозяина, выбирая гены, эволюционировавшие относительно недавно.
Результаты:
- Обнаружено более 100 различных генов, слившихся с транспозазами за последние 350 миллионов лет у разных видов (птиц, рептилий, лягушек, летучих мышей, коал).
- В геноме человека найдено 44 гена, рождённых таким способом.
Эксперименты с четырьмя недавно возникшими генами в клеточных культурах показали, что их белки связываются с определёнными последовательностями ДНК и выключают экспрессию генов. Такие гены известны как факторы транскрипции — главные регуляторы развития.
Один из таких генов — PAX6, ключевой регулятор формирования глаз у всех животных. Исследование подтвердило гипотезу о его происхождении от слияния с транспозазой.
Ключевой эксперимент с геном летучих мышей KRABINER:
- Удаление гена KRABINER с помощью CRISPR привело к нарушению регуляции сотен других генов.
- Восстановление гена вернуло нормальное функционирование.
- Белок KRABINER связывался с родственными транспозонами, рассеянными по геному летучей мыши.
Таким образом, этот ген контролирует целую генно-регуляторную сеть, созданную благодаря прошлой активности транспозонов.