Прыгающие гены — обширный «сырой материал» для эволюции

Исследователи из Медицинской школы Пенсильванского университета, используя высокопроизводительное секвенирование для картирования местоположений распространённого типа прыгающих генов в полном геноме человека, обнаружили значительные вариации в этих местоположениях среди изученных индивидов. Это подчёркивает роль этих «блуждающих» генов в поддержании генетического разнообразия.

Учёные установили, что геномы любых двух людей различаются примерно в 285 сайтах из 1139 изученных. Результаты получены при сканировании геномов 25 индивидов, 15 из которых не были родственниками. Отчёт опубликован в Genome Research.

Прыгающие гены, или транспозоны, — это последовательности ДНК, способные перемещаться в разные области генома внутри одной клетки.

«Значимость этой работы в том, что разнообразие нашего генома за счёт вставок этого семейства транспозонов гораздо больше, чем считалось ранее», — заявил соавтор Хейг Казазян. «Это движение генетического материала предоставляет сырой материал для генетической эволюции, и это без учёта вставок, которые, как мы полагаем, происходят вне изученных в этом проекте сперматозоидов и яйцеклеток».

Транспозоны являются источником разнообразия внутри генофонда вида, что имеет последствия на многих уровнях. Например, небольшие изменения в генах помогают организмам адаптироваться и выживать в новых условиях, а популяции с генетическим разнообразием менее уязвимы к болезням и проблемам с репродукцией.

Вставки в определённые участки генома также могут нарушать работу клетки, поэтому понимание их расположения и вариаций в человеческом геноме важно для фундаментального понимания болезней. Вставки могут вызывать многие генетические заболевания, такие как гемофилия и мышечная дистрофия Дюшенна, и могут играть роль в развитии рака.

Ретротранспозоны — основной класс прыгающих генов, причём семейство L1 — самый распространённый тип ретротранспозонов в человеческом геноме. L1 составляют около 17% генома человека и были предметом исследования в статье Genome Research.

В конечном счёте, непрерывные «прыжки» ретротранспозонов увеличивают размер человеческого генома и могут вызывать перетасовку генетического содержимого. Например, при перемещении ретротранспозоны могут захватывать части соседних генетических последовательностей и вставлять их в новое место, что позволяет создавать новые гены. Даже обычные вставки L1 могут оказывать значительное влияние на близлежащие гены, например, снижая их экспрессию.

Ретротранспозоны перемещаются путём транскрипции (копирования) своей последовательности ДНК в РНК. Затем, вместо прямого перевода генетического кода в белковую последовательность, РНК снова копируется в ДНК с помощью собственного фермента ретротранспозона — обратной транскриптазы. Эта новая ДНК затем встраивается обратно в геном. Процесс копирования аналогичен таковому у ретровирусов, таких как ВИЧ, что заставляет учёных предполагать, что ретровирусы произошли от ретротранспозонов.

Команда также обнаружила, что в среднем 1 из 140 человек получил новую вставку L1 от своих родителей. Если учитывать все вставки ретротранспозонов, включая L1 и другие, то примерно 1 из 40 индивидов получил новую вставку от родителей.

Текущее исследование учитывало вставки в наследуемой линии зародышевых клеток, то есть в яйцеклетках и сперматозоидах. «Настоящий “слон в комнате” — это вопрос о частоте соматических вставок, вставок в клетках, не являющихся яйцеклетками или сперматозоидами», — говорит Казазян. «Мы пока не знаем частоту этих соматических вставок».

Поскольку вставки, обнаруженные в этом и подобных исследованиях, присутствуют у одних индивидов и отсутствуют у других, существует возможность их связи с генетическими заболеваниями. Будущие исследования в лаборатории Казазяна, финансируемые за счёт гранта ARRA через Национальные институты здоровья (NIH), будут разрабатывать методы для выявления таких ассоциаций, используя эти вставки ретротранспозонов в качестве генетических маркеров.