Некоторые последовательности в геноме вызывают включение или выключение генов. До сих пор считалось, что каждый из этих переключателей генов, или так называемых энхансеров, имеет свое собственное место в ДНК. Поэтому различные энхансеры отделены друг от друга, даже если они контролируют один и тот же ген, и включают его в разных частях тела.
Недавнее исследование Боннского университета и Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана оспаривает эту идею. Результаты также важны, поскольку считается, что переключение генов играет центральную роль в эволюции. Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Чертеж форм растений и животных закодирован в их ДНК. Но только небольшая часть генома — около двух процентов у млекопитающих — содержит гены, инструкции по созданию белков. Остальное в значительной степени контролирует, когда и где эти гены активны: сколько их транскриптов производится, и, следовательно, сколько белков производится из этих транскриптов.
Некоторые из этих регуляторных последовательностей, называемые «усилителями», работают как диммеры, используемые для модуляции света в нашей гостиной. Действительно, они специально увеличивают экспрессию определенного гена, где и когда этот ген требуется. Гены, контролирующие морфологию, часто реагируют на несколько независимых усилителей, каждый из которых определяет экспрессию гена в другой части тела.
До сих пор считалось, что энхансеры являются модульными. Термин подразумевает, что каждый энхансер занимает изолированный участок ДНК.
«Однако мы показали, что это не совсем так», — объясняет Мариам Мусеридзе. Она аспирант Боннского института органической биологии в группе профессора доктора Николаса Гомпеля и первый автор исследования. Гомпель также является членом Трансдисциплинарной исследовательской области (TRA) «Жизнь и здоровье» Боннского университета.
Исследователи изучили, как ген под названием yellow регулируется у плодовой мушки Drosophila. Этот ген заставляет насекомое вырабатывать коричневатый пигмент меланин. Существует ряд усилителей, которые контролируют активность yellow. Один из них, например, отвечает за пигментацию зубов личинок, а другой — за формирование полосатого рисунка на брюшке мухи.
«Мы более подробно изучили два из этих усилителей», — говорит Мусеридзе.
Первый контролирует формирование цветового рисунка на крыльях, а второй — окраску головы, груди и брюшка. Оба активны одновременно во время метаморфоза мухи. Команда обнаружила, что усилитель тела не находится, как ожидалось, в другом регионе ДНК, чем усилитель крыла. Вместо этого существуют обширные участки ДНК, которые принадлежат обоим генным переключателям, то есть они влияют на пигментацию как крыла, так и тела.
Результаты показывают, что архитектура регуляторных последовательностей в геноме гораздо сложнее, чем считалось ранее. Это имеет далеко идущие последствия для того, как признаки изменяются в ходе эволюции. Согласно современным знаниям, энхансеры играют ключевую роль в этом процессе.
Это связано с тем, что многие белки настолько важны для организма, что мутация в их гене (т. е. последовательности ДНК, содержащей инструкции по построению белка) может вызвать серьезные проблемы или даже верную смерть. В результате гены, контролирующие форму тела , такие как количество крыльев или ног, редко меняются в ходе эволюции. Усилители предлагают выход из этой дилеммы: когда они мутируют, активность соответствующего гена изменяется, но только в определенной ткани и в определенное время.
Узнайте последние новости науки, технологий и космоса с более чем 100 000 подписчиков , которые полагаются на Phys.org для ежедневной информации. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно. «Поэтому стоимость мутации энхансера часто ниже, чем стоимость мутации самого гена», — говорит Мариам Мусеридзе.
Это облегчает появление новых признаков в ходе эволюции. Это похоже на выпечку торта: если смешать яйца, муку, молоко и сахар, можно получить совершенно разные виды теста в зависимости от пропорции смешивания. В этой метафоре усилители будут отвечать за количество ингредиентов, а не за тип ингредиентов.
Генетическая мутация подобна случайной замене одного ингредиента чем-то совершенно другим, например, опилками вместо муки. Результат, конечно, будет не очень вкусным. С другой стороны, мутация в усилителе изменит количество муки.
«Если энхансеры не настолько модульны, как мы думали, это означает, что мутации в них могут иметь гораздо более широкие эффекты», — говорит Мусеридзе.
Это означает, что такая мутация может влиять на количество нескольких ингредиентов одновременно. Однако также возможно, что усилители сохраняют свою независимость и продолжают контролировать количество одного ингредиента, даже если их последовательности переплетены и являются общими.
«Теперь мы хотим более подробно изучить эти возможности. Мы также хотим выяснить, насколько общими являются наши выводы и как это влияет на наше понимание эволюционных механизмов», — объясняет профессор Гомпель.