Хроматин возник у древних микробов 1–2 миллиарда лет назад

В ядре человеческой клетки, размером всего 8 миллионных метра, должно уместиться 2 метра ДНК. Чтобы решить эту пространственную проблему, ДНК наматывается на структурные белки — гистоны. Эта свернутая генетическая архитектура, известная как хроматин, защищает ДНК от повреждений и играет ключевую роль в регуляции генов.

Гистоны присутствуют как у эукариот (организмов со специализированными клеточными структурами, такими как ядро), так и у архей (одноклеточных прокариотических микробов, не имеющих ядра).

В эукариотических клетках гистоны модифицируются ферментами, что постоянно меняет геномный ландшафт для регуляции экспрессии генов. Несмотря на эту фундаментальную роль, точное происхождение хроматина оставалось загадкой.

Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) выяснили, что это природное решение для хранения ДНК впервые эволюционировало у древних микробов 1–2 миллиарда лет назад. Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.

Чтобы заглянуть в прошлое, ученые использовали информацию, записанную в геномах современных организмов, классифицируя формы жизни по эволюции генов и белков, связанных с хроматином. Они изучили 30 различных видов, полученных из проб воды в Канаде и Франции. Микробы были идентифицированы с помощью современных технологий секвенирования генов, а затем выращены в лаборатории для протеомного и геномного анализа.

Исследователи обнаружили, что прокариоты лишены механизмов для модификации гистонов. Это говорит о том, что хроматин архей в то время мог играть базовую структурную роль, но не регулировал геном. В то же время ученые нашли множество доказательств наличия белков, которые «читают», «записывают» и «стирают» модификации гистонов у ранних эукариотических линий, таких как малавимонада Gefionella okellyi, анциромонада Fabomonas tropica или дискоба Naegleria gruberi — микробы, которые ранее не изучались.

«Наши результаты подчеркивают, что структурная и регуляторная роли хроматина так же стары, как и сами эукариоты. Эти функции необходимы для эукариотической жизни — с момента появления хроматин никогда не терялся ни у одной формы жизни», — говорит доктор Ксавьер Грау-Бове, первый автор исследования.

Используя данные секвенирования, исследователи восстановили набор генов Последнего общего предка эукариот (Last Eukaryotic Common Ancestor) — клетки, которая дала начало всем эукариотам. Этот организм обладал десятками генов, модифицирующих гистоны, и жил на Земле 1–2 миллиарда лет назад. Авторы исследования предполагают, что хроматин эволюционировал у этого микроба в результате давления отбора в первичной среде Земли.

«Вирусы и мобильные генетические элементы — это геномные паразиты, которые регулярно атакуют ДНК одноклеточных организмов. Это могло привести к эволюционной гонке вооружений для защиты генома, результатом которой стало развитие хроматина как защитного механизма в клетке, породившей всю известную эукариотическую жизнь. Позже эти механизмы были использованы для сложной регуляции генов, как мы наблюдаем у современных эукариот, особенно многоклеточных организмов», — отмечает доктор Арнау Себе-Педрос, старший автор исследования.

Будущие исследования могут быть направлены на изучение эволюции гистон-модифицирующих ферментов у асгардных архей — микробов, названных в честь мифологического региона, населенного скандинавскими богами, которых часто описывают как эволюционную ступень между археями и эукариотами. Исследователи обнаружили свидетельства того, что некоторые виды асгардных микробов, такие как Lokiarchaeota, имеют гистоны с эукариотическими чертами, что может быть результатом конвергентной эволюции.