У мышей обнаружен молекулярный механизм, позволяющий клеткам контролировать поведение мобильных генетических элементов (транспозонов, ретротранспозонов и др.), которые, по последним данным, играют очень важную роль в эволюции. Ранее сходный механизм был найден у дрозофилы. По-видимому, многие организмы способны активно регулировать работу этих загадочных подвижных фрагментов ДНК. В системе контроля мобильных элементов участвуют белки семейства Piwi и особый класс малых РНК (пиРНК), которые нужны для распознавания нуклеотидных последовательностей, характерных для мобильных элементов.
На фото разнообразие окраски семян в этом кукурузном початке вызвано «прыжками» мобильного генетического элемента — транспозона.
Геном человека почти наполовину состоит из всевозможных повторяющихся последовательностей, транспозонов, ретротранспозонов и тому подобных мобильных генетических элементов (МГЭ). У других животных и растений дело обстоит примерно так же. У прокариот мобильных элементов меньше, но тоже очень много. Традиционно эти участки генома интерпретируют как «эгоистическую» или «мусорную» ДНК (junk DNA). В последнее время всё яснее становится огромная эволюционная роль этих элементов. Они придают геному свойство, которое, в зависимости от субъективного восприятия, называют либо «нестабильностью», либо «пластичностью». В первом случае подчеркивается потенциальный вред геномных перестроек, индуцируемых МГЭ и повторами, во втором — их потенциальная польза. МГЭ способны активно размножаться и прыгать с место на место в пределах хозяйского генома, некоторые из них (вирусы) могут передаваться не только от родителей к потомкам, но и горизонтально. Кроме того, наличие в геноме множественных копий тех или иных фрагментов ДНК резко повышает вероятность ошибок в ходе копирования ДНК (репликации) и рекомбинации. Действительно, сложно не сбиться при переписывании или редактировании текста, изобилующего повторами.
Геномные перестройки, индуцируемые МГЭ, не являются хаотичными. Например, многие транспозоны способны встраиваться не в любое место генома, а только туда, где есть определенная последовательность нуклеотидов; распределение повторов по геному повышает вероятность не любых, а строго определенных перестроек и т. д. Кроме того, активность МГЭ может зависеть от различных факторов (например, она может повышаться при стрессе). Всё это придает эволюционным изменениям, происходящим при участии МГЭ, не совсем случайный характер.
Недавно выяснилось еще одно, довольно неожиданное обстоятельство. Оказалось, что клетки могут целенаправленно регулировать активность своих МГЭ (Vagin et al., 2006. A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline). Это явление было обнаружено в прошлом году у мушки-дрозофилы. В процессе созревания сперматозоидов «включаются» гены белков семейства Piwi, а также гены особых маленьких регуляторных РНК, которые получили название пиРНК (piRNA, сокращение от Piwi-interacting RNAs). пиРНК — короткие, длиной в 24–29 нуклеотидов, молекулы, нуклеотидные последовательности которых совпадают с теми или иными участками различных МГЭ. пиРНК присоединяются к Piwi-белкам и «программируют» их на распознавание и уничтожение молекул РНК, считанных с мобильных элементов. Тем самым подавляется активность МГЭ.
У дрозофилы активность генов Piwi была зарегистрирована только в семенниках самцов (в созревающих сперматоцитах). Почему-то мушки считают необходимым приглушить свои МГЭ именно во время сперматогенеза. Белки семейства Piwi есть и у млекопитающих (они называются MIWI и MILI); они тоже синтезируются во время сперматогенеза и образуют комплексы с пиРНК. Однако для млекопитающих до сих пор не было доказано участие этих комплексов в регуляции активности МГЭ.
Американские биологи из Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) установили, что у млекопитающих (по крайней мере у мышей, на которых и проводились эксперименты) Piwi-белки и пиРНК выполняют примерно те же функции, что и плодовой мушки. Однако то, что обнаружили исследователи, в действительности похоже на верхушку айсберга и ставит гораздо больше новых вопросов, чем дает ответов.
Ученые выделяли из семенников мышей Piwi-белки, отделяли связанные с ними молекулы пиРНК и секвенировали их (определяли последовательности нуклеотидов). Выяснилось, что мышиные пиРНК весьма многочисленны и разнообразны (как и у дрозофилы). Последовательности многих из них совпадают с участками известных мышиных МГЭ, однако есть очень много других пиРНК, последовательности которых совпадают либо с участками рабочих генов, либо с фрагментами генома, функции которых неизвестны. Зачем нужны эти пиРНК, пока невозможно сказать. Исследователи не смогли найти каких-либо общих свойств у тех генов, для которых есть соответствующие пиРНК, за исключением того обстоятельства, что у многих из них в некодирующих «хвостах» имеются повторяющиеся последовательности. Кроме того, удалось показать, что активность этих генов, по-видимому, вообще не зависит от деятельности Piwi-белков. Следовательно, соответствующие этим генам пиРНК, вероятно, нужны не для регуляции их активности, а для чего-то другого.
Ученые установили, что отключение генов Piwi-белков приводит к резкому росту активности (экспрессии) мобильных генетических элементов в зреющих сперматоцитах. Чтобы показать это, были использованы мыши-мутанты с отключенным геном Mili. Именно этот результат и является решающим доказательством участия Piwi-белков в регуляции активности МГЭ у мышей.
Полученные данные говорят о том, что система регуляции активности МГЭ при помощи Piwi-белков и пиРНК не является уникальной особенностью насекомых. Скорее всего, она широко распространена в живой природе.
Если считать МГЭ «эгоистическими» и чужеродными объектами, своеобразными геномными паразитами, то Piwi-белки и пиРНК можно было бы назвать системой «внутриклеточного иммунитета», в которой разнообразие «антител» обеспечивается разнообразием пиРНК. Если же считать МГЭ полноправными составными частями единого генома, эту систему правильнее будет поставить в один ряд с другими известными механизмами генной регуляции, которые обеспечивают своевременное включение и выключение различных участков генома в зависимости от потребностей организма.
В пользу второй интерпретации свидетельствует один чрезвычайно важный факт, отмеченный в статье. Оказалось, что набор пиРНК, производимых сперматоцитами, меняется с возрастом, причем весьма резко. Существует два почти непересекающихся «комплекта» пиРНК. Один из них, «ранний», обнаруживается в семенниках мышат примерно до 12–14-дневного возраста. После этого начинают производиться совсем другие, «поздние» пиРНК. Свойством подавлять активность МГЭ обладают оба комплекта, и смысл перемены пока совершенно неясен. Так или иначе, последовательность событий больше похожа не на работу иммунной системы, а на генетическую регуляцию индивидуального развития. Хотя, конечно, для содержательных интерпретаций у нас еще слишком мало данных.
Ученые также установили, что пиРНК могут влиять на активность МГЭ не только путем «программирования» Piwi-белков, но и другим способом — через механизм метилирования ДНК. У многих живых организмов, и у млекопитающих в особенности, метилирование ДНК является одним из важных способов регуляции активности генов. В общем случае, чем сильнее метилирован ген, тем слабее он работает. Метилирование ДНК осуществляется специальными ферментами — ДНК-метилтрансферазами. Однако вопрос о том, откуда эти ферменты «узнают», какие гены надо метилировать, а какие не надо, пока еще далек от разрешения. На растениях ранее было показано, что определенную роль в этом могут играть маленькие молекулы РНК, которые каким-то образом «указывают» ДНК-метилтрансферазам гены, подлежащие метилированию. Ранее также было установлено, что многие МГЭ у млекопитающих подвергаются усиленному метилированию — это, скорее всего, еще один способ держать МГЭ под контролем. Исследователи решили проверить, влияет ли отключение системы Piwi—пиРНК на степень метилирования МГЭ в сперматоцитах мышей. Оказалось — да, влияет, причем весьма существенно. У мышей с выключенным геном Mili определенные МГЭ в сперматоцитах оказались прометилированы намного слабее, чем у здоровых животных. Возможно, это свидетельствует о том, что пиРНК при помощи Piwi-белков каким-то образом «направляют» работу ДНК-метилтрансфераз. У насекомых, в отличие от млекопитающих, метилирование ДНК для регуляции работы генома (и МГЭ в частности) почти не используется.
И у мух, и у мышей в работе системы Piwi—пиРНК используется принцип обратной связи. Дело в том, что те «обрезки», которые получаются из считанных с МГЭ молекул РНК в результате деятельности Piwi-белков, сами могут функционировать в качестве пиРНК, то есть связываться с Piwi-белками и управлять их работой. Поэтому чем активнее МГЭ, тем больше производится в клетке соответствующих пиРНК и тем эффективнее осуществляется подавление активности этих МГЭ.
Экспериментальные данные в биологии в наши дни накапливаются так быстро, что специалисты, теоретики и популяризаторы физически не успевают их осмыслить и обобщить. В данном случае очевидно, что делать далеко идущие теоретические выводы рано: исследователи только начали проникать в некую совершенно новую, весьма необычную область. Неясно, зачем нужны многочисленные пиРНК, которые не совпадают с последовательностями МГЭ, почему Piwi-белки производятся только в зреющих сперматоцитах, почему у молодых мышей производятся одни пиРНК, а у взрослых — совсем другие и т. д. Пожалуй, единственный обоснованный вывод, который можно сделать, состоит в том, что поведение МГЭ не является бесконтрольным, что клетка имеет реальную возможность влиять на их деятельность.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
