Исследование регуляции генов сообщает о неожиданных результатах: обширные участки ДНК принадлежат нескольким генным переключателям

Некоторые последовательности в геноме заставляют гены включаться или выключаться. До сих пор считалось, что каждый из этих генетических переключателей, или так называемых энхансеров, занимает своё собственное место в ДНК. Разные энхансеры, даже если они контролируют один и тот же ген и включают его в разных частях тела, были разделены друг от друга.

Новое исследование Боннского университета и Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана ставит эту идею под сомнение. Результаты важны, поскольку считается, что энхансеры играют центральную роль в эволюции. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

План строения растений и животных закодирован в их ДНК. Но лишь небольшая часть генома — около двух процентов у млекопитающих — содержит гены, инструкции для создания белков. Остальная часть в основном контролирует, когда и где эти гены активны: сколько производится их транскриптов и, следовательно, сколько белков синтезируется из этих транскриптов.

Некоторые из этих регуляторных последовательностей, называемые «энхансерами», работают как диммерные переключатели, используемые для регулировки света в комнате. Они специфически усиливают экспрессию конкретного гена там и тогда, где и когда это необходимо. Гены, контролирующие морфологию, часто реагируют на несколько независимых энхансеров, каждый из которых определяет экспрессию гена в разных частях тела.

Энхансеры, контролирующие окраску Drosophila

До сих пор считалось, что энхансеры модульны. Этот термин подразумевает, что каждый энхансер занимает изолированный участок ДНК.

«Однако мы показали, что это не совсем так», — объясняет Мариам Мусеридзе, аспирант Боннского института биологии организмов в группе профессора Николаса Гомпеля и первый автор исследования.

Исследователи изучили, как регулируется ген yellow у плодовой мушки Drosophila. Этот ген заставляет насекомое производить коричневатый пигмент меланин. Существует ряд энхансеров, контролирующих активность yellow. Один из них, например, отвечает за пигментацию зубов личинок, а другой — за формирование полосатого рисунка на брюшке мухи.

«Мы внимательно изучили два из этих энхансеров», — говорит Мусеридзе.

Первый контролирует формирование цветового узора на крыльях, а второй — окраску головы, груди и брюшка. Оба активны одновременно во время метаморфоза мухи. Команда обнаружила, что энхансер тела, вопреки ожиданиям, не расположен в другом участке ДНК, отличном от энхансера крыла.

Вместо этого существуют обширные области ДНК, которые принадлежат обоим генным переключателям, то есть влияют на пигментацию как крыла, так и тела.

Результаты показывают, что архитектура регуляторных последовательностей в геноме гораздо сложнее, чем считалось ранее. Это имеет далеко идущие последствия для понимания того, как признаки меняются в ходе эволюции. Согласно современным знаниям, энхансеры играют в этом процессе ключевую роль.

Это связано с тем, что многие белки настолько важны для организма, что мутация в их гене (то есть в последовательности ДНК, содержащей инструкции по сборке белка) вызовет серьёзные проблемы или даже гибель. В результате гены, контролирующие форму тела, такие как количество крыльев или ног, редко меняются в ходе эволюции. Энхансеры предлагают выход из этой дилеммы: когда они мутируют, активность соответствующего гена изменяется, но только в определённой ткани и в определённое время.

«Таким образом, цена мутации в энхансере часто ниже, чем цена прямой мутации в гене», — говорит Мариам Мусеридзе.

Это облегчает появление новых признаков в ходе эволюции. Это похоже на выпечку торта: смешивая яйца, муку, молоко и сахар, можно получить совершенно разные виды теста в зависимости от пропорций. В этой метафоре энхансеры отвечали бы за количество ингредиентов, а не за их тип.

Генетическая мутация похожа на случайную замену одного ингредиента на что-то совершенно другое — например, использование опилок вместо муки. Результат точно не будет вкусным. Мутация же в энхансере изменила бы количество муки.

«Если энхансеры не так модульны, как мы думали, это означает, что мутации в них могут иметь гораздо более широкие последствия», — говорит Мусеридзе.

Это означает, что такая мутация может одновременно повлиять на количество нескольких ингредиентов. Однако также возможно, что энхансеры сохранят свою независимость и продолжат контролировать количество одного ингредиента, даже если их последовательности переплетены и общие.

«Теперь мы хотим подробнее изучить эти возможности, — объясняет профессор Гомпель. — Мы также хотим выяснить, насколько общими являются наши выводы и как это влияет на наше понимание эволюционных механизмов».