Отредактированная РНК и инвазивная ДНК добавляют индивидуальности
История того, почему мы все так разные, выходит далеко за рамки бесконечного смешивания и комбинирования ДНК при размножении. Новое исследование в журнале Nature Communications сообщает о новом молекулярном механизме индивидуальной изменчивости, обнаруженном у плодовых мушек, который использует компоненты, работающие у самых разных видов, включая человека.
Этот механизм основан на удивительной генетической особенности. Практически все геномы — человека, плодовых мушек, кукурузы и риса — постоянно борются с паразитическими фрагментами генетического материала, называемыми «транспозонами». Эти фрагменты копируются, перемещаются и встраиваются в ДНК. Если их не контролировать, транспозоны могут изменять выполнение генетических инструкций в организме, обычно в худшую, а иногда и в лучшую сторону. Но геномы не оставляют транспозоны без контроля. Они «ищут» характерную двуцепочечную РНК, связанную с транспозонами, разрезают её на части и используют эти фрагменты для «заглушения» захватчиков.
В новой работе учёные показали, что фермент ADAR, редактирующий РНК у людей, мух и многих других существ, редактирует двуцепочечные РНК. Это ослабляет систему, которая удерживает транспозоны «Hoppel» в состоянии «молчания» у плодовых мушек. Когда транспозоны «заглушены», они остаются плотно «запертыми» вокруг крошечных шариков материала, называемого хроматином.
Поскольку количество ADAR варьируется от одной особи к другой, варьируется и степень «побега» из этой хроматиновой тюрьмы, что должно приводить к изменённой экспрессии генов. Показав, что обилие ADAR снижает уровень «заглушения» обычного транспозона у мух, а его недостаток приводит к повсеместному «заглушению», исследователи измерили два последствия разного уровня активности ADAR: 20-процентную разницу в продолжительности жизни и разницу в цвете глаз (красный вместо белого).
Исследование было сосредоточено на плодовых мушках, ADAR и двуцепочечной РНК транспозона Hoppel, но способность редакторов РНК ослаблять «заглушение» по крайней мере некоторых транспозонов может быть источником индивидуальной изменчивости и у людей, и у других видов, — сказал старший автор исследования, биолог из Университета Брауна Роберт Ринен. Редактирование двуцепочечной РНК — или его отсутствие — уже связано с заболеваниями у людей, включая боковой амиотрофический склероз и, в случае ADAR, синдром Айкарди — Гутьер.
«ADAR у человека функционирует так же, как у мух, и двуцепочечные РНК у человека образуются таким же образом, — сказал Ринен. — Это всё универсальные, стандартные элементы биологического инструментария. Это не что-то особенное для мух».
Выбор двуцепочечной РНК
Многие исследования Ринена сосредоточены на активности редактирования ADAR в развитии нервной системы, но это расследование началось, когда ведущий автор, аспирант Яннис Савва, случайно сверхэкспрессировал ADAR в клетках слюнных желёз плодовой мушки. Он обнаружил, что часть фермента связалась с неожиданным местом: одним конкретным сайтом на четвёртой хромосоме.
Различные тесты показали, что этот сайт на четвёртой хромосоме был «домом» для нескольких транспозонов Hoppel, производящих двуцепочечную РНК.
Серия экспериментов в последующие годы выяснила, что делает ADAR с транспозоном. Исследователи переместили транспозоны в другие места и обнаружили, что ADAR последовал за ними. Они удалили двуцепочечную РНК с четвёртой хромосомы и обнаружили, что ADAR там больше не было. Они идентифицировали конкретные сайты редактирования и признаки редактирования на двуцепочечной РНК.
Затем Савва и его коллеги измерили уровень «заглушения» транспозонов при разном количестве ADAR и обнаружили, что чем больше ADAR, тем меньше «заглушение».
Затем, работая со Стивеном Хелфандом, экспертом по биологии старения, они заметили, что снижение редактирования увеличивает продолжительность жизни.
«Поскольку потеря „заглушения“ была связана со старением у Drosophila и других организмов, мы провели анализ продолжительности жизни взрослых особей [с низким уровнем ADAR] и контрольной группы дикого типа и обнаружили ~20-процентное увеличение медианной продолжительности жизни самцов и самок [с низким уровнем ADAR]», — написали авторы в Nature Communications.
Посмотри им в глаза
Позже они изучили цвет глаз, используя природных (дикого типа) мух и тех, у кого активность ADAR была либо искусственно подавлена, либо чрезмерно активна. У природных мух глаза имеют полный континуум от красного до белого с различными «пёстрыми» смесями между ними, которые отражают состояние «заглушения» их гена цвета глаз. У мух с чрезмерно активным ADAR «заглушения» было мало, и глаза оказывались красными гораздо чаще, чем обычно. У мух с подавленным ADAR практически все глаза были белыми (что отражает сильное «заглушение» гена красного цвета).
В конечном итоге, по словам Саввы, ADAR, по-видимому, позволяет таким транспозонам, как Hoppel, реализовывать свою способность регулировать экспрессию генов, даже несмотря на то, что они являются незваными гостями в геноме.
«То, что делает ADAR, — это тонкая настройка этой регуляторной сети, — сказал Савва. — В клетках, где есть ADAR, сеть активирована. В клетках, где его нет, она заглушена. Это обеспечивает динамику».
Другими словами, некоторые из различий между нами могут быть видны в глазах мух.