Исследование раскрывает, как de novo гены включаются и регулируются в клеточных сетях
Большинство генов древние и общие для разных видов. Но небольшая их подгруппа — относительно новые, спонтанно возникающие из участков ДНК, которые раньше ничего не кодировали.
Исследователи, почти десять лет изучавшие эти гены у плодовых мушек, обнаружили, как регулируются эти de novo гены. В двух взаимодополняющих статьях в Nature Ecology & Evolution и Proceedings of the National Academy of Sciences команда показала, как факторы транскрипции и геномные соседи включают эти гены и интегрируют их в клеточные сети. Это первые работы, идентифицирующие такие главные регуляторы.
Результаты проливают свет на то, как новые гены становятся функциональными, что важно для понимания эволюционной биологии, регуляции генов и болезней, возникающих из-за их дисфункции.
Новые гены, старые вопросы
Когда Ли Чжао основала свою лабораторию восемь лет назад, существование de novo генов было недавним открытием. По мере того как она идентифицировала сотни таких генов, Торстен Визель, нобелевский лауреат 1981 года, заинтересовался её работой и спросил, как регулируются эти гены. Вопрос стал отправной точкой для исследований.
Технологии и вычислительные методы совершенствовались, позволив команде определить, какие факторы транскрипции регулируют определённые гены, и применить методы секвенирования единичных клеток к семенникам Drosophila, где экспрессируется много de novo генов.
В статье в Nature Ecology & Evolution команда сосредоточилась на роли факторов транскрипции и обнаружила три фактора, действующих как главные регуляторы. Проанализировав экспрессию генов в сотнях тысяч клеток, они выяснили, что лишь около 10% факторов транскрипции контролируют большинство de novo генов.
Учёные создали мух с разным числом копий этих факторов и провели РНК-секвенирование. Изменения вызвали чёткие, часто линейные сдвиги в экспрессии de novo генов, подтвердив их ключевую регулирующую роль.
В статье в PNAS исследователи изучили геномное окружение de novo генов. Они выяснили, корегулируются ли эти молодые гены с соседними, более эволюционно устоявшимися генами. Анализ паттернов экспрессии и данных о доступности хроматина показал, что de novo гены часто используют общие регуляторные элементы с соседними генами, что указывает на механизм корегуляции.
De novo взрослеет
Помимо объяснения регуляции, результаты могут пролить свет на сам процесс формирования de novo генов. Манипуляции с факторами транскрипции вызывают значительные изменения в их экспрессии.
Исследования de novo генов также могут дать более широкое понимание эволюции генетических сетей и последствий их сбоев. Изучение рака и других болезней, связанных с быстрой дисрегуляцией генов, может получить пользу от работы, объясняющей возникновение и регуляцию эволюционно молодых генов. Благодаря своей короткой эволюционной истории и более простой регуляции, de novo гены могут стать доступной моделью для понимания работы всего генома.