Генетический мусор скрывал кодирующий участок

Большая часть человеческого генома состоит из некодирующей или, как ее иначе называют, мусорной ДНК. Эта часть нуклеотидной последовательности присутствует в хромосомах, но не несет никакой информации. При считывании «генетического шифра» специальные ферменты вырезают некодирующие участки из первичной копии ДНК. Далее уже другие ферменты склеивают значимые последовательности нуклеотидов в мРНК, с которой как с матрицы (из-за чего она и получила название матричной) и синтезируются белки.

Как правило, такие некодирующие последовательности (интроны) располагаются стационарно -- между функциональными участками ДНК (экзонами). Но есть и мобильные некодирующие нуклеотиды, которые перемещаются по геному и периодически вклиниваются в гены, вызывая хромосомные перестройки и мутации.

Инфицированный геном

Геном человека более чем на 40% состоит из различных мобильных генетических последовательностей -- ретротранспозонов. Причем среди генетических путешественников есть и эндогенные (внутренние) ретровирусы, которые заражают человеческую ДНК. Они хранят информацию в РНК и вопреки привычной схеме ДНК → РНК → белок ретровирусы передают генетическую информацию в обратном направлении. Вирусная ДНК синтезируется на основе РНК и после встраивается в геном человека. Таким способом вирусная ДНК получает «вид на жительство» в генетическом сообществе и вместе с человеческими генами передается из поколения в поколение.

По словам ученых, не стоит пугаться таких вирусов -- около 8% человеческого генома состоит из «заразной» ДНК. Да и подхватил человек эту генетическую «инфекцию» достаточно давно -- десятки миллионов лет назад и до сих пор жив. Более того, возможно, что именно благодаря таким генетическим вирусам произошли наиболее значимые эволюционные изменения и преобразования.

Оставшиеся 32% генетического мобильного мусора приходятся на три «семейства» нуклеотидных последовательностей различной длины и с различной степенью повторов -- LINE, SINE и LTR. Ученые уверены, что большинство ретротранспозонов как минимум не приносят никакой пользы человеческому геному, а в некоторых случаях еще и причиняют вред. Одним словом, большая часть генетического мусора по праву называется «мусором». Эти предположения утвердились еще больше после того, как Малон (Malone CD) и Хэннон (Hannon GJ) в 2009 году опубликовали статью Small RNAs as guardians of the genome в журнале Cell. По результатам исследования они описали молекулярный механизм, с помощью которого «хозяйская» клетка подавляет любые попытки ретротранспозонов проявить активность.

Функциональный мусор

Тем не менее многие генетические вирусы и некодирующие последовательности все-таки оказывают влияние на синтез мРНК и белка соответственно. Многие из них расположены в ничего не значащих (интронных) участках ДНК на расстоянии до нескольких сотен тысяч оснований от гена, с которым они функционально связаны. То есть сразу-то может быть и непонятно, что «мусор» в дальнем уголке хромосомы может каким-либо способом «держаться на связи» с функциональным геном.

Одна из распространенных «мусорных» мобильных нуклеотидных последовательностей -- длинный концевой повтор эндогенного ретровируса-9 (ERV-9 LTRs). Этот мобильный генетический элемент был неоднократно замечен в связи с рядом гематологических заболеваний. Он располагается на расстоянии 40-70 тыс. нуклеотидных оснований от генов, которые кодируют фетальную и взрослую формы белка глобина. Интересно то, что ERV-9 LTR взаимодействует не с одним, а почти с десятью человеческими генами, которые находятся неподалеку от генов белка глобина

В геноме человека и шимпанзе ERV-9 LTR проявляет видимое влияние на функциональную активность эмбриональных и кровяных стволовых клеток. Исследователи из медицинского колледжа Джорджии (Medical College of Georgia) решили проверить, какую роль играет ERV-9 LTR в синтезе «кровяного» белка. Для этого ученые вырастили трансгенных мышей, в геном которых был встроен локус длиной 100 000 пар оснований, содержащий гены белка глобина. Геном трансгенных мышей из экспериментальной группы содержал генетический мусор, а геном мышей из контрольной группы ученые «очистили» от ERV-9 LTR.

И все-таки не хлам

Ученые исследовали хроматин и белки, которые участвуют в реализации генетической информации. Оказалось, что ERV-9 LTR не просто регулирует работу генов фетального и взрослого глобина, а «включает» экспрессию этих генов на конкурентной основе. Исследователи описали молекулярный механизм, при помощи которого ERV-9 LTR создает конкуренцию между двумя видами глобина.

В отсутствие ERV-9 LTR в клетке заметно снижается уровень всех белков, которые участвуют в синтезе взрослого глобина. Известно, что включение в работу генов взрослого глобина автоматически выключает гены фетального глобина и наоборот. В эксперименте ученые еще раз подтвердили это и показали, что основной целью ERV-9 LTR становятся гены взрослого глобина. То есть именно он заставляет гемопоэтические клетки реализовывать закодированную информацию и синтезировать белок для взрослого гемоглобина.

Биологи также проследили за ERV-9 LTR в стволовых клетках крови и в эмбриональных клетках. Оказалось, что наиболее активно ERV-9 LTR проявляется в эритроидных стволовых клетках.

Основываясь на полученных данных, генетики пришли к выводу, что из 4000 копий ERV-9 LTR, которые присутствуют в геноме человека, хотя бы несколько последовательностей не засоряют ДНК, а помогают клеткам выполнять свои функции и дарят некоторые преимущества в конкурентном синтезе белков. Так что теперь генетикам придется пересматривать мусорные части генома, чтобы проверить, не участвуют ли они в уже вроде бы изученных механизмах работы тех или иных генов.

Подробные результаты исследования опубликованы в статье Long-range function of an intergenetic retrotransposon в журнале PNAS.