У животных обнаружена новая система модификации ДНК, полученная из бактерий 60 миллионов лет назад

ДНК содержит план построения тела, но это живой документ: корректировки конструкции могут быть сделаны с помощью эпигенетических меток.

Эпигенетические метки — это модификации оснований ДНК, которые не изменяют основной генетический код, но «записывают» дополнительную информацию поверх него, которая может быть унаследована вместе с геномом.

Эпигенетические метки обычно регулируют экспрессию генов — включают или выключают гены — особенно на раннем этапе развития или когда организм находится в состоянии стресса. Они также могут подавлять «прыгающие гены» — мобильные элементы, которые угрожают целостности генома.

У человека и других эукариот известны две основные эпигенетические метки. Теперь ученые MBL обнаружила третью, новую эпигенетическую метку, ранее известную только у бактерий, у бделлоидных коловраток, мелких пресноводных животных. Об этом фундаментальном и удивительном открытии сообщается в Nature Communications.

«Еще в 2008 году мы обнаружили, что бделлоидные коловратки очень хорошо захватывают чужеродные гены», — сказала старший автор исследования Ирина Архипова. «Мы обнаружили, что коловратки около 60 миллионов лет назад случайно захватили бактериальный ген, который позволил им ввести новую эпигенетическую метку, которой раньше не было». Это первый случай, когда было показано, что горизонтально перенесенный ген изменяет систему регуляции генов у эукариот.

«Это очень необычно и ранее не сообщалось. Считается, что горизонтально перенесенные гены предпочтительно являются операционными генами, а не регуляторными. Трудно представить, как один горизонтально перенесенный ген может сформировать новую регуляторную систему, потому что существующие регуляторные системы уже очень сложны».

«Это почти невероятно», — сказала соавтор Ирина Юшенова. «Просто попробуйте представить, что где-то в прошлом фрагмент бактериальной ДНК случайно слился с фрагментом эукариотической ДНК. Оба они соединились в геноме коловратки и образовали функциональный фермент. Это не так просто сделать даже в лаборатории, и это произошло естественным образом. А затем этот составной фермент создал эту удивительную регуляторную систему, и бделлоидные коловратки смогли начать использовать ее для управления всеми этими прыгающими транспозонами. Это похоже на волшебство».

«Вы не хотите, чтобы транспозоны (участки ДНК организмов, способные к передвижению или транспозиции, и размножению в пределах генома) прыгали в вашем геноме», — говорят ученые. «Они все испортят, так что вам нужно держать их под контролем. И эпигенетическая система для достижения этого различна у разных животных. В этом случае горизонтальный перенос генов от бактерий к бделлоидным коловраткам создал новую эпигенетическую систему у животных, которая ранее не была описана».

«Бделлоидные коловратки особенно должны контролировать свои транспозоны, потому что они в основном размножаются бесполым путем», — сказала Ирина Архипова.

«У бесполых линий меньше средств для подавления распространения вредных транспозонов, поэтому добавление дополнительного уровня защиты может предотвратить мутационный кризис. Действительно, содержание транспозонов у бделлоидов намного ниже, чем у половых эукариот, у которых нет этого дополнительного эпигенетического слоя в их защитной системе генома».

В двух ранее известных эпигенетических метках у эукариот метильная группа добавляется к основанию ДНК, цитозину или аденину. Недавно открытая метка также является модификацией цитозина, но с отчетливым расположением метильной группы, подобным бактериям, что, по сути, повторяет эволюционные события более двух миллиардов лет назад, когда появились обычные эпигенетические метки у ранних эукариот.

Бделлоидные коловратки — чрезвычайно жизнестойкие животные. Они могут полностью высыхать в течение недель или месяцев, а затем возвращаться к жизни, когда вода становится доступной. Во время фазы высыхания их ДНК распадается на множество частей.

«Когда они регидратируют или иным образом делают концы своей ДНК доступными, это может дать возможность чужеродным фрагментам ДНК из проглоченных бактерий, грибов или микроводорослей перенести в геном коловратки», — сказала Ирина Архипова. Ученые обнаружили, что около 10 процентов генома коловраток происходит из неметазоанских источников.

И все же ученые с удивлением обнаружили в геноме коловратки ген, напоминающий бактериальную метилтрансферазу (метилтрансфераза катализирует перенос метильной группы в ДНК). «Мы предположили, что этот ген отвечает за эту новую функцию подавления транспозонов, и последние шесть лет мы потратили на то, чтобы доказать, что это действительно так», — сказала Ирина Архипова.

Еще слишком рано говорить о том, какие последствия может иметь открытие этой новой эпигенетической системы у коловраток.

«Хорошим сравнением является система CRISPR-Cas у бактерий, которая начиналась как фундаментальное исследовательское открытие. Теперь CRISPR-Cas9 повсеместно используется как инструмент для редактирования генов в других организмах. Это новая система. Будет ли это иметь приложения, последствия для будущих исследований? Трудно сказать».