Как клетки "взламывают" собственные гены

В ДНК всех организмов, от дрожжей до человека, закодированы гены, необходимые для жизни и размножения. Однако эти полезные гены составляют лишь 2% нашего генома. Более двух третей генома занимают "эгоистичные" гены, заботящиеся только о собственном размножении — так называемые генетические паразиты. Рассеянные по геномам растений, грибов и животных, они могут перемещаться. Хотя они важны для создания геномного разнообразия, они также могут вызывать летальные мутации или стерильность. Подобно тому, как бактерии используют систему CRISPR/Cas9 для идентификации и разрезания вторгающихся вирусов, эукариотические клетки выработали стратегии для защиты генома и подавления этих паразитов. Малые регуляторные РНК управляют многими из этих механизмов и легли в основу важных биотехнологий.

Решение эволюционной дилеммы "курицы и яйца"

Один из ключевых путей поддержания целостности генома животных — piRNA-путь. Эта система активна в половых клетках и использует короткие фрагменты РНК (piRNA), которые, как зеркальное отражение, связываются с транскриптами эгоистичных последовательностей и запускают их сайленсинг с помощью белков семейства Argonaute. Лаборатория Бреннеке в IMBA активно исследует эти РНК-зависимые механизмы самозащиты у плодовых мушек с помощью секвенирования нового поколения. Источник piRNA находится внутри самих сайленсированных областей, содержащих эгоистичные элементы. Эта организация создала эволюционную дилемму: как piRNA могут транскрибироваться из тех самых областей, которые они подавляют? В новой публикации в Nature лаборатория не только решает эту загадку, но и описывает совершенно новый механизм экспрессии генов.

Moonshiner: всегда есть обходной путь

В центре вновь открытого пути — белок moonshiner. Он родственен базальным факторам транскрипции и взаимодействует с белком Rhino, который связывается с гетерохроматином в областях эгоистичных генов. Rhino рекрутирует Moonshiner в гетерохроматиновую область, и Moonshiner инициирует сборку пре-инициаторного комплекса РНК-полимеразы II, которая катализирует транскрипцию. Таким образом, экспрессия генов активируется в иначе молчащей области с помощью другого кода, заложенного в гистоновых метках, а не в последовательности ДНК.

Результаты показывают, что piRNA транскрибируются, "нарушая" классические правила активации генов, сочетая элементы стандартной активации с сайленсингом. "Путь, активный в piRNA-кластерах — где рождаются piRNA — буквально взламывает генную машинерию, комбинируя две разные системы, активацию и сайленсинг генов, подобно тому, как мебель можно перепрофилировать с помощью 'IKEA-хакинга'", — поясняет Петер Андерсен, постдок в IMBA и первый автор статьи.

Путь moonshiner показывает, как клетки могут использовать гетерохроматин для транскрипции. "Клетки разработали стратегии обхода стандартных путей. Наши выводы не только важны для понимания 'гонки вооружений' между полезными и эгоистичными генами, которая формировала и продолжает двигать эволюционные процессы, но и способствуют целостному пониманию экспрессии генов", — говорит Юлиус Бреннеке, руководитель группы в IMBA и последний автор статьи.