Транспозоны объединяются: как «прыгающие гены» формируют кластеры через локальное разворачивание генома

Почти половина человеческого генома состоит из транспозонов — коротких последовательностей ДНК, способных перемещаться. Они «прыгают» по геному, но не распределяются равномерно, а часто группируются в кластеры.

Исследователи из Карлсруэского технологического института (KIT) выяснили механизм этой кластеризации. Он стал возможен благодаря физическому эффекту, приводящему к локальному разворачиванию генома. Результаты опубликованы в Biophysical Journal.

Транспозоны участвуют в важных процессах, таких как раннее эмбриональное развитие или контроль активности генов. Однако они не могут прыгнуть в любую часть ДНК, так как она компактно свернута в хроматин. Некоторые области особенно плотно упакованы и труднодоступны.

Исследовательская группа под руководством профессора Леннарта Хильберта обнаружила, что «транспозоны могут "разворачивать" геном в определенных точках, делая его доступным для других транспозонов». Это создает положительную обратную связь: один транспозон ослабляет локальную структуру ДНК, за ним следуют другие, превращая одиночные прыжки в групповые «посадки».

Ученые разработали компьютерную симуляцию этого процесса. В модели ДНК разворачивается шаг за шагом с вставкой каждого нового транспозона. Затронутые области генома расширяются, образуются петли, в которых накапливаются новые транспозоны.

Эволюция «приручает» транспозоны

При анализе механических свойств транспозонов в ходе эволюции обнаружился неожиданный факт. Большинство этих элементов сейчас неактивны, но они сформировали архитектуру геномов за миллионы лет.

«Мы обнаружили, что транспозоны, которые все еще прыгают или прыгали относительно недавно, особенно гибки, — говорит Хильберт. — Чем дальше в эволюционной истории фаза активных прыжков транспозона, тем менее гибкими они становятся. Это предполагает, что транспозоны "приручаются" в своей способности прыгать в ходе эволюции».

Понимание поведения транспозонов помогает исследователям узнать, как формировались геномы. Это также важно для изучения развития различных заболеваний. Особый интерес представляют транспозоны LINE-1.

LINE-1 (Long Interspersed Nuclear Element-1) — это семейство повторяющихся последовательностей ДНК, составляющих большую часть человеческого генома. Они могут реактивироваться при развитии рака и снова начинать «прыгать». Их неконтролируемое перемещение по геному может приводить к мутациям, вызывающим рак.