Случайная экспрессия аллелей объясняет биологическое разнообразие генетически идентичных организмов

Исследование Ludwig Cancer Research выявило феномен, меняющий представления о том, как экспрессируется геном для поддержания жизни млекопитающих. Работа, опубликованная в журнале Science, помогает объяснить, почему генетически идентичные животные иногда так различаются по биологии и внешнему виду, и почему некоторые наследственные заболевания, вызванные общим набором аномальных генов, могут иметь разную степень тяжести у разных людей.

Новый фундаментальный механизм

«Мы зафиксировали фундаментальную случайность на уровне экспрессии генов, которая никогда ранее не описывалась — и которая сохраняется на протяжении всего развития и во взрослом возрасте», — говорит учёный Людвига Рикард Сандберг из Каролинского института в Швеции. Открытие стало возможным благодаря новой мощной методике, разработанной лабораторией Сандберга для анализа глобальной экспрессии генов в единичных клетках.

Случайный выбор одного аллеля

За исключением части генов на половых хромосомах, каждое млекопитающее наследует по одной копии каждого гена от каждого родителя. Каждая из этих копий называется аллелью. Исследование показывает, что только один аллель экспрессируется в от 12 до 24 процентов всех таких пар, закодированных в геноме мыши. Более того, выбор экспрессируемого аллеля варьируется случайным образом от клетки к клетке и часто переключается между двумя вариантами на протяжении всей жизни клетки.

Выход за рамки «импринтинга»

Биологи долгое время знали об исключении — «импринтированных» генах, которые могут модифицироваться для избирательной экспрессии только одного из двух аллелей. Но такие гены составляют лишь 1 процент от общего числа. «Мы обнаружили, что для тех генов, которые не импринтированы, примерно каждый пятый аллель случайным и динамическим образом экспрессируется только один за раз, — говорит Сандберг. — И если один аллель экспрессируется, другой ничего об этом не знает. Между ними нет координации».

Значение для биологии и медицины

Это явление отчасти объясняет, почему однояйцевые близнецы — продукты почти идентичных геномов — могут заметно отличаться друг от друга внешне и по предрасположенности к заболеваниям. Динамическая и случайная аллельная экспрессия может приводить к разным комбинациям некоторых признаков даже у генетически идентичных людей.

Результаты также важны для понимания некоторых генетических заболеваний, например, нейрофиброматоза. Загадкой долгое время оставалось, почему люди с одинаковыми мутациями, вызывающими это семейство болезней, страдают от них в разной степени. Существенная случайность в экспрессии аллелей может помочь объяснить эти различия при данном и других заболеваниях.