Специализированные пути малых РНК защищают зародышевую линию от транспозонов
Клетки высших организмов постоянно борются с частью собственной ДНК — повторяющимися последовательностями, называемыми транспозонами, которые проникли в геномы хозяев за эоны лет. Транспозоны повреждают геном, копируя себя и встраиваясь в новые участки.
Для защиты от этих генетических паразитов клетки зародышевой линии (например, сперматозоиды и яйцеклетки), чья миссия — передать неповреждённую ДНК следующему поколению, развили молекулярную иммунную систему. Её работу обеспечивает армия малых РНК, называемых Piwi-взаимодействующими РНК (piRNA), и набор белков семейства Piwi.
В новом исследовании, опубликованном 1 мая в журнале Cell, профессор Грегори Хэннон и его команда из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) сообщают, что в яичниках плодовых мушек не-зародышевые, или "соматические" клетки, окружающие клетки зародышевой линии, также развили систему защиты от транспозонов.
Однако piRNA и белковые компоненты этой соматической системы отличаются от своих аналогов внутри клеток зародышевой линии. Система, защищающая соматические клетки, специфично обороняется от особого класса транспозонов — gypsy-элементов. Эти фрагменты ДНК мобилизуются для атак иным способом, чем транспозоны, активные в половых клетках.
Два различных пути piRNA в яичнике
Многие транспозоны размножаются, сначала копируясь (транскрибируясь) в РНК, которая затем снова копируется в новую ДНК-последовательность. Этот новый сегмент затем встраивается в новое место в геноме. Gypsy-элементы также начинают мобилизацию с превращения в РНК, но затем они упаковываются в вирусоподобные частицы, которые распространяются, заражая соседние клетки. "Но этап, на котором транспозон транскрибируется в РНК, также является его ахиллесовой пятой", — отмечает Хэннон. Клетки могут защищаться, атакуя транспозоны на этой промежуточной РНК-стадии.
Ответ клетки — форма защиты, называемая РНК-интерференцией, при которой piRNA в партнёрстве с членами семейства белков Piwi — Argonaute3 (AGO3), Aubergine (Aub) и Piwi — "заглушают" транспозоны. Эти три белка действуют как молекулярные "ножницы", разрезающие РНК транспозонов, к которым их ведут piRNA-"проводники".
В то время как все три белка Piwi — AGO3, Aub и Piwi — обнаружены в половых клетках, команда CSHL нашла только белок Piwi в окружающих их соматических клетках. Это указало на возможные различия в архитектуре пути piRNA между двумя типами клеток.
Разделение зародышевых и соматических клеток
Команда использовала естественную биологию плодовой мушки: когда её половые клетки развиваются в эмбрионы, они сбрасывают окружающие соматические клетки. Новоотложенное яйцо содержит РНК и белковые компоненты, присутствующие только в зародышевой линии, а не в соматической ткани яичника.
Сравнив piRNA в эмбрионах и яичниках, учёные обнаружили, что в то время как половые клетки содержат piRNAs, нацеленные на различные транспозоны, соматическая фракция piRNA использует только белок Piwi для избирательного подавления gypsy-транспозонов.
Таким образом, соматические клетки используют упрощённую форму piRNA-"каркаса", задействуя всего один белок Piwi и определённые piRNAs для защиты от одного класса транспозонов — gypsy-элементов, которые могут пытаться получить доступ к соседним половым клеткам благодаря способности упаковываться подобно вирусу.
Соматические клетки защищены piRNA-кластером flamenco
piRNAs возникают из так называемых "кладбищ транспозонов" в геноме — кластеров, где собраны остатки транспозонов, которые больше не могут прыгать. Учёные полагают, что эти кластеры сохраняются в геномах, чтобы предоставить клеткам-хозяевам "память" о предыдущих встречах с транспозонами.
"Как только транспозон встраивается в piRNA-кластер, его будущее мрачно", — говорит Колин Мэлоун, аспирант из лаборатории Хэннона, руководивший исследованием. Клетка немедленно начнёт производить piRNAs, нацеленные на этот транспозон, блокируя любую его будущую активность.
Ранее лаборатория Хэннона обнаружила, что piRNAs, сгенерированные из большинства кластеров, увеличиваются в количестве с помощью механизма "пинг-понга" — реципрокных циклов разрезания молекул РНК парами белков семейства Piwi. Теперь они выяснили, что только половые клетки используют этот механизм для генерации и амплификации своего запаса piRNA.
В соматических клетках учёные обнаружили, что piRNAs, используемые единственным белком Piwi, происходят из единственного кластера под названием flamenco. Этот кластер, по мнению авторов, является консервативным — неизменным в ходе эволюции — у большинства видов Drosophila, что представляет собой десятки миллионов лет эволюции.
Значение открытия
"Семейство gypsy, возможно, развило собственную стратегию мобилизации в соме, чтобы избежать обширной системы наблюдения за транспозонами, уже существующей в соседних половых клетках", — объясняет Мэлоун. "Соматические клетки, в свою очередь, могли адаптировать отдельный путь piRNA, сфокусированный на Piwi и кластере flamenco, как контр-эволюционный ход для борьбы с этой уникальной угрозой".
Исследователи также проанализировали восемь геномных мутаций у мушек, приводящих к стерильности и аномальному развитию, которые могли быть вызваны неконтролируемой активностью транспозонов. Это позволило понять, как нарушенные в каждом мутанте гены влияют на путь piRNA и изменяют тип и количество piRNAs, которые клетки могут генерировать.
"Мы начинаем рисовать широкую картину того, как путь piRNA был генетически сшит воедино", — говорит Хэннон. "Эта работа объединяет десятилетия исследований в связную модель, которую можно использовать в качестве отправной точки, чтобы понять, как каждый ген, влияющий на биологический фенотип мушки, действует на молекулярном уровне".