'Прыгающие гены' помогают стабилизировать паттерны сворачивания ДНК

Новое исследование Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе показывает, что транспозоны, или «прыгающие гены» — фрагменты ДНК, способные перемещаться по геному — играют неожиданную роль: они стабилизируют трёхмерную структуру укладки молекулы ДНК внутри клеточного ядра.

Исследование опубликовано 24 января в журнале Genome Biology.

Молекула ДНК в ядре клетки человека имеет длину более шести футов. Чтобы уместиться в малом объёме, она формирует точные петли, которые также регулируют активность генов. Кажется нелогичным, что случайно перемещающиеся фрагменты ДНК могут стабилизировать эту структуру. Это открытие противоречит устоявшемуся представлению о том, что именно последовательность «букв» ДНК всегда диктует её общую трёхмерную структуру.

Изучая укладку ДНК в клетках крови мышей и человека, учёные обнаружили, что во многих регионах, где паттерны сворачивания ДНК эволюционно консервативны, генетическая последовательность, формирующая эти петли, — нет. Она немного смещена. Однако эта меняющаяся последовательность (генетический оборот) не вызывает проблем. Поскольку структура в целом остаётся прежней, функция, предположительно, тоже, поэтому ничего важного не меняется.

«Мы были удивлены, обнаружив, что некоторые молодые транспозоны служат для поддержания старых структур, — сказал первый автор Маянк Н.К. Чоудхари. — Конкретная последовательность может быть разной, но функция остаётся той же. И мы видим, что это происходило многократно за последние 80 миллионов лет, с момента расхождения общих предков мышей и человека».

Тот факт, что новый транспозон может встроиться и выполнять ту же роль, что и существующий «якорь», создаёт избыточность в регуляторных участках генома — областях ДНК, определяющих, как и когда включаются или выключаются гены.

По мнению исследователей, эта избыточность делает геном более устойчивым. Предоставляя одновременно новизну и стабильность, прыгающие гены могут помогать геному млекопитающих находить жизненно важный баланс — позволяя организмам адаптироваться к изменяющемуся климату, но при этом сохраняя биологические функции, необходимые для жизни, и защищаясь от повреждений ДНК, накапливающихся в течение десятков или сотен миллионов лет.

Исследователи подчеркивают различие между участками генома, несущими гены, кодирующие белки, и остальной частью генома. В белковых генах консервативны и последовательность, и структура, и данное исследование этому не противоречит. Однако новая работа показывает, что транспозоны в некодирующих областях генома следуют иным правилам консервации, чем белок-кодирующие гены.

«Наше исследование меняет то, как мы интерпретируем генетические вариации в некодирующих областях ДНК, — сказал старший автор Тинг Ван. — Например, крупные исследования геномов многих людей выявили множество вариаций в некодирующих регионах, которые, казалось бы, не влияют на регуляцию генов. Но в свете нашего нового понимания транспозонов это обретает больше смысла — локальная последовательность может меняться, но функция остаётся прежней. Мы открыли ещё один уровень сложности в последовательности генома, который ранее не был известен».