Гребневики раскрывают древнее происхождение регуляции генома животных

Исследование, опубликованное в Nature, показывает, что способность контролировать гены на большом расстоянии, через десятки тысяч "букв" ДНК, эволюционировала между 650 и 700 миллионами лет назад. Это произошло на заре эволюции животных, примерно на 150 миллионов лет раньше, чем считалось ранее.

Дальняя регуляция генов (дистальная регуляция) основана на физическом сворачивании ДНК и белков в сложные петли. Это позволяет удалённым от стартовой точки гена областям активировать его функцию. Этот дополнительный уровень контроля, вероятно, помог первым многоклеточным животным создавать специализированные типы клеток и ткани, не изобретая новых генов.

Ключевая инновация, вероятно, возникла у морского существа — общего предка всех современных животных. Это древнее животное развило способность контролируемо сворачивать ДНК, создавая в трёхмерном пространстве петли, которые сводили в непосредственный контакт удалённые участки ДНК.

Авторы исследования сделали открытие, изучив геномы многих древнейших ветвей древа жизни животных, включая гребневиков (например, "морской орех", Mnemiopsis leidyi), плакозоев, стрекающих и губок. Они также изучили одноклеточных родственников, не являющихся животными, но имеющих с ними недавнего общего предка.

Команда использовала метод Micro-C, чтобы картировать, как ДНК физически сворачивается внутри клеток каждого из 11 изученных видов. Они проанализировали 10 миллиардов фрагментов данных секвенирования, чтобы построить детальную 3D-карту генома каждого вида.

В то время как у одноклеточных родственников животных не было обнаружено признаков дистальной регуляции, у древних животных, таких как гребневики, плакозои и стрекающие, было много петель. Только у "морского ореха" по всему геному было обнаружено более четырёх тысяч петель, несмотря на относительно небольшой размер его генома (около 200 миллионов "букв" ДНК).

Исследование также выявило неожиданное открытие. В клетках позвоночных петли контролируются архитектурным белком CTCF. Однако геномы древних ветвей животных не кодируют никакого эквивалента CTCF. Вместо этого авторы обнаружили, что гребневики используют другой архитектурный белок, принадлежащий к тому же структурному семейству. Это опровергает предположение, что для сложной дистальной регуляции генома необходим CTCF.

Сегодня наши тела полагаются на эту древнюю инновацию — дистальную регуляцию — чтобы создавать разные типы клеток из одной и той же ДНК. Понимание её происхождения помогает собрать воедино, как сформировались самые ранние версии геномной регуляции, что даёт новые ключи к фундаментальным принципам работы наших клеток и тел.