«Прыгающие гены» – фрагменты ДНК, которые могут перемещаться из одного места в геноме в другое – хорошо известны благодаря увеличению генетического разнообразия на протяжении длительного пути эволюции. Теперь, новое исследование в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе показывает, что такие гены, также называемые транспонируемыми элементами, играют другую, более удивительную роль: стабилизацию трехмерных структур сворачивания молекулы ДНК внутри ядра клетки.

Исследование появляется 24 января в журнале Genome Biology .

Молекула ДНК внутри ядра любой человеческой клетки имеет длину более шести футов. Чтобы поместиться в таком маленьком пространстве, он должен складываться в точные петли, которые также определяют, как гены включаются или выключаются. Может показаться нелогичным, что кусочки ДНК, которые случайным образом перемещаются по геному, могут обеспечить стабильность этих схем складывания. Действительно, открытие противоречит давнему предположению, что точный порядок букв в последовательности ДНК всегда диктует более широкую структуру молекулы ДНК.

В местах, где большее трехмерное свертывание генома одинаково у мышей и людей, вы ожидаете, что последовательность букв ДНК, закрепляющих эту форму, будет сохраняться и там. Но это не то, что мы обнаружили, по крайней мере, не в тех частях генома, которые в прошлом назывались «нежелательной ДНК».

Тинг Ванг, доктор философии, старший автор, заслуженный профессор медицины Сэнфорда С. и Карен П. Лоуентхейл

Изучая свертывание ДНК в клетках крови мыши и человека, исследователи обнаружили, что во многих регионах, где паттерны свертывания ДНК сохраняются в процессе эволюции, генетическая последовательность букв ДНК, образующих эти сгибы, отсутствует. Это очень немного смещено. Но эта изменяющаяся последовательность, генетический оборот, не вызывает проблем. Поскольку структура в основном остается неизменной, функция, по-видимому, тоже не меняется, поэтому ничего важного не меняется.

«Мы были удивлены, обнаружив, что некоторые молодые перемещаемые элементы служат для поддержания старых структур», – сказал первый автор Mayank N.K. Choudhary, докторант в лаборатории Вана. «Конкретная последовательность может отличаться, но функция остается той же. И мы видим, что это происходило много раз за последние 80 миллионов лет, когда общие предки мышей и людей впервые отличались друг от друга».

Тот факт, что новый перемещаемый элемент может вставлять себя и выполнять ту же роль, что и существующий якорь, создает избыточность в регуляторных частях генома – областях молекулы ДНК, которые определяют, как и когда гены включаются или выключаются .

По словам исследователей, эта избыточность делает геном более устойчивым. Обеспечивая как новизну, так и стабильность, прыгающие гены могут помочь геному млекопитающего установить жизненно важный баланс – например, дать животным гибкость в адаптации к изменяющемуся климату, сохраняя при этом биологические функции, необходимые для жизни, защищая от повреждения ДНК, которое наносится живя и размножаясь на Земле в течение длительного периода времени, измеряемого десятками и сотнями миллионов лет.

Тем не менее, исследователи были осторожны, чтобы различать части генома, которые содержат гены, ответственные за производство белков, и остальную часть генома. В генах, кодирующих белки, как генетическая последовательность, так и структура являются консервативными, и это исследование не противоречит этому. Однако новое исследование предполагает, что прыгающие гены в небелковых кодирующих областях генома следуют другим правилам сохранения, чем белковые кодирующие гены.

«Наше исследование меняет то, как мы интерпретируем генетические изменения в некодирующих областях ДНК», – сказал Ван. «Например, крупные исследования геномов, проведенные многими людьми, выявили множество вариаций в некодирующих регионах, которые, по-видимому, не влияют на регуляцию генов, что вызывает недоумение. Но это имеет больше смысла в свете нашего нового понимания транспонируемые элементы – хотя локальная последовательность может меняться, но функция остается прежней.

«Возможно, нам понадобится вернуться к этим типам исследований в свете нового понимания, которое мы теперь имеем в отношении переносимых элементов», – добавил он. «Мы обнаружили еще один уровень сложности в последовательности генома, который не был известен ранее».