Как вирусные транспозоны одомашниваются для эволюции новых форм жизни
Около половины нашего генома состоит из транспозонов (TEs) — «прыгающих генов», способных к самокопированию и изменению позиции в геноме. Их активность играет ключевую роль в эволюции, но неконтролируемая может нанести вред.
Обычно активность транспозонов подавляется метилированием ДНК или репрессивными изменениями хроматина. Однако в периоды гаметогенеза и раннего эмбрионального развития многие эпигенетические ограничения сбрасываются. Резервным механизмом защиты служит путь PIWI/piRNA.
В этом пути молекулы piRNA длиной 25–32 нуклеотида связываются с белками Argonaute из клады PIWI, образуя комплексы piRISC. Они подавляют транспозоны на посттранскрипционном уровне и через эпигенетические изменения в их локусах. piRNA действуют как РНК-опосредованный адаптивный иммунитет против транспозонов, их последовательности быстро дивергируют и становятся видоспецифичными.
Существует два основных класса транспозонов:
- Класс I (ретротранспозоны): используют обратную транскрипцию. Включают LTR-элементы, LINE и SINE (например, Alu-повторы в геномах приматов).
- Класс II (ДНК-транспозоны): кодируют транспозазу для вставки и вырезания.
Транспозоны — движущая сила крупных эволюционных изменений. Вставки TEs в промоторные области регуляторных генов привели к появлению живорождения, расширению неокортекса и другим усложнениям.
Примеры одомашнивания транспозонов:
Синцитины: Гены оболочечных белков (Env) эндогенных ретровирусов (ERV) независимо захватывались для формирования плаценты у мыши, человека, кролика и других млекопитающих (не менее шести раз в эволюции). Синцитин-1 и синцитин-2 вошли в геном приматов примерно 25 и 40 млн лет назад соответственно.
Альтернативный промотор пролактина: Переход от яйцекладки к живорождению связан с вставкой двух транспозонов около промотора гена пролактина (PRL):
- MER20 (ДНК-транспозон), появившийся 70–80 млн лет назад.
- MER39 (ретротранспозон класса ERV1), вставленный 25–30 млн лет назад.
Эти транспозоны создали сайты связывания транскрипционных факторов, что привело к экспрессии пролактина вне гипофиза — сначала в лимфоцитах, затем в децидуализированных клетках эндометрия. Децидуальный пролактин (dPRL) получил возможность контролировать функции беременности (иммунная толерантность к эмбриону, лактация).
Помимо роли в промоторах, транспозоны действуют как энхансеры, инсуляторы и репрессоры. Например, в эмбриональных стволовых клетках MER20 является энхансером для гена пролактина.
У плацентарных млекопитающих около 13% из примерно 1500 генов, рекрутированных в экспрессию в эндометрии, имеют видоспецифичный транспозон MER20 в пределах 200 т.п.н.
Использование альтернативных промоторов — распространённое явление (почти половина генома человека). Они могут обеспечивать ткане- или органелл-специфичную экспрессию. Это позволяет предположить, что даже последовательности митохондриальной локализации (MLS) могли возникнуть благодаря активности транспозонов, аналогичной описанной для эволюции гена пролактина.