Исследования выявили полный список генов, необходимых для защиты половых клеток от "прыгающих генов"

Две группы исследователей под руководством профессора Грегори Хэннона из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор опубликовали исследования, раскрывающие множество ранее неизвестных компонентов врожденной системы, защищающей половые клетки — носители наследственной информации — от разрушительного действия транспозонов, или "прыгающих генов".

Активация этих сегментов ДНК позволяет им копироваться и встраиваться в случайные участки хромосом. В сперматозоидах и яйцеклетках распространение транспозонов особенно опасно, так как может вызывать тяжелые нарушения развития у потомства и бесплодие. В ходе эволюции сложные организмы выработали механизмы защиты генома половых клеток, главным из которых является piRNA-путь.

У животных этот путь включает семейство белков Piwi, которые взаимодействуют с малыми РНК, называемыми piRNA. С момента открытия piRNA в 2006 году ученые пытаются понять, как они создаются и как подавляют транспозоны, которые в большом количестве присутствуют в геномах почти всех видов.

Некоторые ключевые участники piRNA-пути были известны, но большинство оставались загадкой. "Именно поэтому наши два новых исследования так важны, — говорит Хэннон. — Мы определили десятки генов, необходимых для правильной работы piRNA-пути, и детально изучили некоторые из них". Работа расширяет понимание механизма и дает основу для его полного описания.

"Это важный шаг к нашей цели — получить чертежи для воссоздания в лаборатории полностью работоспособной системы подавления транспозонов через piRNA", — отмечает аспирант Феликс Мюрдтер, который вместе с коллегами Бенджамином Чехом, Джонатаном Приоллом и Паломой Гуццардо провел эксперименты и стал соавтором новых статей.

Возможность собрать эту систему позволит понять в беспрецедентных деталях, как клетки в целом выборочно обнаруживают и "выключают" гены. Эти знания могут помочь в поиске новых способов лечения сложных заболеваний, связанных с нарушением работы генов, от рака до шизофрении.

Обе группы Хэннона проводили эксперименты на плодовых мушках, которые обладают всеми фундаментальными элементами защиты половых клеток, как и люди, благодаря явлению консервативности последовательностей в эволюции.

Две команды, разные типы клеток

Обе команды использовали одинаковый тщательный метод поиска новых компонентов piRNA-пути, но в разных типах клеток. Группа Чеха и Приолла работала с женскими половыми клетками; Мюрдтер и Гуццардо сосредоточились на фолликулярных клетках, которые находятся в яйцеклетке, но происходят из соматических клеток (всех клеток организма, кроме половых).

Обе группы провели скрининг с помощью РНК-интерференции (RNAi), "выключая" активность множества генов в изучаемых клетках. Группа Чеха и Приолла "выключила" все 8000 генов, экспрессируемых в яичнике мушки, по одному. Мюрдтер и Гуццардо аналогичным образом "выключили" все 13 900 генов в геноме мушки. Цель — увидеть, как изменится уровень транспозонов при потере функции отдельных генов.

В обоих случаях скрининг выявил десятки генов, отсутствие которых нарушало подавление транспозонов. Затем каждая группа выбрала один-два гена, "выключение" которых сильнее всего усиливало распространение транспозонов. Для Мюрдтера и Гуццардо подавление гена, названного asterix, привело к резкому росту уровня транспозона gypsy.

Как подавляется транспозон gypsy

Когда ДНК gypsy экспрессируется, она начинает производить РНК-"сообщение" — первый шаг к размножению транспозона. Именно это и происходило при "выключении" гена asterix. "В норме белок Piwi в комплексе с малой РНК может распознать определенную последовательность в этом РНК-сообщении, — объясняет Гуццардо. — Когда piRNA находит последовательность, она присоединяется, и процесс транскрипции останавливается".

Новая работа проясняет причину: присоединение piRNA к РНК gypsy вызывает химические модификации гистонов — белков, упаковывающих ДНК gypsy (так называемые метки H3K9 триметилирования), которые маркируют ее как "молчащую". ДНК становится недоступной для аппарата экспрессии генов, и gypsy остается в неактивном состоянии.

Без гена asterix метка, обеспечивающая молчание gypsy, отсутствует, и ген становится доступным для аппарата транскрипции в ядре. Транспозон получает возможность размножаться.

Чех и Приолл, проводя аналогичную работу исключительно в яичнике, обнаружили, что некоторые из тех же генов активны в подавлении транспозонов и в этих клетках. Это позволяет говорить о формировании "основного piRNA-пути". В яичнике мушки потенциально могут активироваться гораздо больше транспозонов (80–100), чем в фолликулярных и других соматических клетках (20–30). Поэтому piRNA-механизмы в женских половых клетках сложнее и, по словам Чеха, вовлекают больше генов и, вероятно, больше вспомогательных белков в процесс подавления транспозонов.

"Наш скрининг выявил набор генов, участвующих в подавлении транспозонов в яичнике мушки, — говорит Чех. — Мы рады, что смогли составить, по-видимому, полный список основных компонентов piRNA-пути, и надеемся, что это стимулирует новые открытия в других лабораториях. Наша следующая задача — различить участников пути, вовлеченных в генерацию piRNA, и тех, кого мы называем "эффекторами", и в конечном итоге раскрыть молекулярные механизмы биогенеза piRNA и их эффекторных функций".