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 ученых из Боннского и Мюнхенского университетов оспаривает эту идею. Результаты также важны, поскольку считается, что переключение генов играет центральную роль в эволюции.
Форма растений и животных закодирована 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 комнате. 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.
Усилители, контролирующие окраску дрозофилы
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 Николаса Гомпеля и первый автор работы.
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 Мариам Мусеридзе.
Первый контролирует формирование цветового рисунка на крыльях, а второй — окраску головы, груди и брюшка. Оба активны одновременно во время метаморфоза мухи. Команда ученых обнаружила, что энхансер тела не находится, как ожидалось, в другом регионе ДНК, чем энхансер 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, например, количество крыльев или ног, редко меняются в ходе эволюции. Энхансеры предлагают выход из этой дилеммы: когда они мутируют, активность соответствующего гена изменяется, но только в определенной ткани и в определенное время.
«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 энхансеры будут отвечать за количество ингредиентов, а не за их тип.
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 Мариам 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», — объясняет профессор Гомпель. «Мы также хотим выяснить, насколько общими являются наши выводы и как это влияет на наше понимание эволюционных механизмов».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.