Ретротранспозон «пойман» в действии: передовая визуализация раскрывает новые детали
В наших клетках идёт «гонка вооружений»: транспозоны («прыгающие гены») угрожают целостности генома, вызывая перестройки ДНК и мутации. Клетки-хозяева защищают свой геном сложными механизмами, подавляющими «прыжки» транспозонов.
Впервые ретротранспозон удалось зафиксировать в действии внутри живой клетки. Усовершенствовав метод крио-электронной томографии (cryo-ET), учёные получили изображения ретротранспозона copia в яйцевых камерах плодовой мушки Drosophila melanogaster с субнанометровым разрешением. Исследование опубликовано в журнале Cell.
Капсид напоминает ретровирусные частицы
В работе использовали технику cryo-lift-out, позволяющую готовить сложные ткани для cryo-ET. Изучая яйцевые камеры дрозофилы, исследователи определили структуру капсида copia с разрешением 7.7 Å — это первая структура ретротранспозона с субнанометровым разрешением в естественной клеточной среде.
С помощью AlphaFold 2 команда создала интегративную модель сборки капсида. Эксперименты подтвердили, что капсид copia имеет складчатую структуру, схожую со зрелым капсидом HIV-1.
Новое понимание жизненного цикла
Учёные также получили «снимки» цикла репликации copia. Как и ретровирусы, ретротранспозоны транскрибируются в геноме, их транскрипт экспортируется и транслируется в цитоплазме, где формируются вирусоподобные частицы. Затем их РНК-геном подвергается обратной транскрипции.
Наблюдения показали, что вирусные частицы в цитоплазме находятся вблизи ядерных пор. Похоже, copia, подобно HIV-1, проникает в ядро в виде целых частиц через эти поры. Ядерный поровый комплекс действует как молекулярное сито: в ядро попадают только частицы определённого размера. Генетические манипуляции, нарушающие активный транспорт через поры, приводили к задержке частиц copia в цитоплазме.
Специфика репликации и система подавления
Хотя в геноме дрозофилы много ретротранспозонов, copia экспрессируется наиболее часто. Ранее было показано, что он преимущественно нацелен на мужскую зародышевую линию.
Исследователи также изучили, как система подавления транспозонов дрозофилы PIWI-piRNA глушит copia. В семенниках мушки антисмысловые piРНК, нацеленные на copia, оказались высокоаbundantными. У мух с неактивным путем piРНК, где транспозоны экспрессируются свободно, copia обнаружили у самок в «тупиковых» ядрах зародышевой линии, которые не станут генетическим материалом ооцита и обречены на запрограммированную гибель.
У самцов же частицы copia перемещались из цитоплазмы в ядро гаметы во время сперматогенеза. Это указывает, что проникновение в ядро может быть ключевым этапом его цикла репликации, адаптированным к нише элемента — мужским семенникам.
«Транспозоны долго игнорировали как "мусорную ДНК", но они оказывают широкое влияние на биологию и эволюцию хозяина. Наше исследование демонстрирует мощь cryo-ET для изучения клеточной структурной биологии транспозонов», — говорит Свен Клумпе.