Давняя геномная тайна о происхождении

Одна из самых давних фундаментальных загадок биологии связана с плохо изученным происхождением интронов. Интроны — это сегменты некодирующей ДНК, которые необходимо удалить из генетического кода, прежде чем он будет транслироваться в процессе создания белков. Интроны — это древняя особенность, обнаруженная во всей эукариотической жизни, широком диапазоне организмов, охватывающем всех животных, растения, грибы и простейшие, но отсутствующая в геномах прокариот, таких как геномы бактерий. Существует огромная разница в количестве интронов, обнаруженных в геномах разных видов, даже между близкородственными видами.

Теперь новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Санта-Круз и опубликованное в журнале Труды Национальной академии наук (PNAS) указывает на интронеры, один из нескольких предложенных механизмов создания интронов, открытых в 2009 году, как объяснение происхождения большинства интронов у разных видов. Исследователи считают, что интроны — единственное вероятное объяснение событий интронного взрыва, когда тысячи интронов появляются в геноме, казалось бы, все сразу, и они находят доказательства этого у видов по всему древу жизни.

“[This study] дает правдоподобное объяснение происхождения подавляющего большинства интронов», — сказал Рассел Корбетт-Детиг, доцент кафедры биомолекулярной инженерии и старший автор исследования. «Есть и другие механизмы, но это единственный известный мне механизм, который может одновременно генерировать тысячи и тысячи интронов в геноме. Если это правда, это говорит о том, что мы обнаружили основной процесс, управляющий чем-то действительно особенным в эукариотических геномах — у нас есть эти интроны, у нас есть геномная сложность».

Интроны важны, потому что они обеспечивают возможность альтернативного сплайсинга, что, в свою очередь, позволяет одному гену кодировать несколько транскриптов и, следовательно, выполнять несколько сложных клеточных функций. Интроны также могут влиять на экспрессию генов, скорость, с которой гены включаются для производства белков и других некодирующих РНК. Интроны в конечном итоге оказывают нейтральное или слегка негативное влияние на виды, в которых они существуют, потому что, когда сплайсинг интронов выполняется неправильно, ген, в котором они живут, может быть поврежден и даже погибнуть. Такие пропущенные случаи сплайсинга являются причиной некоторых видов рака.

Корбетт-Детиг и его коллеги исследовали геномы 3325 эукариотических видов — всех видов, для которых у нас есть доступ к высококачественным эталонным геномам, — чтобы выяснить, насколько распространены интроны, полученные из интронов, и в каких группах видов они встречаются. чаще всего. Они обнаружили в геномах 175 видов в общей сложности 27 563 интронных производных интрона, что означает наличие интронеров у 5,2% исследованных видов.

Это свидетельство было обнаружено у видов всех типов, от животных до одноклеточных протистов — организмов, чей последний общий предок жил более 1,7 миллиарда лет назад. Разнообразие видов, у которых они обнаружены, позволяет предположить, что интронеры являются фундаментальным и наиболее распространенным источником интронов на древе жизни.

«Это разнообразно — это не похоже на то, что это происходит на одном маленьком кусочке дерева жизни», — сказал Корбетт-Детиг. «Вы видите это в довольно большом диапазоне видов, что говорит о том, что это довольно общий механизм».

Этот анализ может обнаружить только свидетельства существования интронеров на несколько миллионов лет назад, что является относительно коротким промежутком времени, когда речь идет об истории эволюции. Вполне вероятно, что интронные всплески могли произойти у некоторых видов, таких как люди, во время, выходящее за рамки этого анализа, что означает, что это исследование, вероятно, сильно недооценивает истинный масштаб интронных интронов у всех эукариот.

Интронеры как геномные паразиты

В экосистеме генома интронеров можно рассматривать как паразитов, стремящихся выжить и воспроизвести себя. Когда интронер входит в новый организм, этот новый хозяин никогда раньше не видел этот элемент и не имеет возможности защитить себя, позволяя ему размножаться в новом виде.

«Все в эволюции есть конфликт, и эти элементы, [including introners], являются эгоистичными фрагментами ДНК», — сказал Ланден Гозашти, первый автор статьи, который разработал методы анализа исследования, будучи студентом Калифорнийского университета в Калифорнии, а сейчас является аспирантом Гарвардского университета. «Они хотят только размножаться, и единственная причина, по которой они не хотят убивать своего хозяина, заключается в том, что это убивает их».

Вырезаясь из последовательности ДНК до того, как происходит трансляция гена в белки, интронеры нашли способ оказывать меньшее влияние на приспособленность гена-хозяина, позволяя им сохраняться в течение поколений эволюции вида-хозяина. Исследователи обнаружили, что интроны, полученные из интронеров, сращиваются лучше, чем другие типы интронов, чтобы ограничить их негативное влияние на ген, чтобы и интронер, и хозяин могли лучше выжить.

Больше интронеров в море

Хотя все интронеры были обнаружены у всех типов видов, результаты показали, что морские организмы в 6,5 раз чаще имеют интронеры, чем наземные виды.

Исследователи считают, что это, вероятно, связано с явлением, называемым горизонтальным переносом генов, при котором гены передаются от одного вида к другому, в отличие от типичного вертикального переноса посредством спаривания и передачи генов от родителя к ребенку. Уже известно, что горизонтальный перенос генов чаще происходит в морской среде, особенно между одноклеточными видами со сложной экологией.

Интронеры могут путешествовать таким образом, потому что они принадлежат к классу геномных элементов, называемых мобильными элементами, которые обладают способностью перемещаться за пределы клеточной среды, в которой они живут, что делает их механически хорошо оснащенными для перемещения между видами посредством горизонтального переноса генов. Когда интронеры переходили от одного вида к другому в морской среде, их присутствие на древе жизни значительно расширялось.

Учитывая, что мы знаем, что все виды произошли от морских организмов, вполне возможно, что наземные виды получили интроны в результате всплесков интронов в далеком прошлом своей эволюционной истории.

«Если ваши предки были морскими организмами, а они все были, есть большая вероятность, что многие ваши интроны унаследованы от подобных [introner burst] событие тогда», — сказал Корбетт-Детиг. «Возможно, это было очень важно в нашем эволюционном прошлом».

Больше интронеров было также обнаружено у видов грибов, которые, как также известно, имеют более высокие скорости горизонтального переноса генов, что еще раз подтверждает идею о том, что это явление способствует увеличению количества итронеров.

В будущих исследованиях Корбетт-Детиг планирует искать доказательства горизонтального переноса генов в виде почти идентичных интронеров у двух разных видов. Он настроил конвейеры интеллектуального анализа данных, так что по мере того, как глобальное сообщество исследователей геномики вносит геномы новых видов в хранилища данных, его алгоритм будет искать интронеры каждого нового генома и сравнивать его со всеми известными интронерами для поиска сходства.

Понимание того, как развивается сложность

Это исследование бросает вызов одной из всеобъемлющих теорий эволюции генома относительно того, что движет сложностью генома у эукариот. Теория также утверждает, что на каком-то этапе эволюции у многих видов была низкая эффективная численность популяции, а это означает, что очень немногие организмы вида производили потомство для создания следующего поколения. Это позволило элементам, которые, как известно, оказывали незначительное негативное влияние на популяцию, накапливаться в геноме.

Следуя этой теории, итронеры, от нейтральных до слегка вредных, чаще встречались бы в популяциях с более низкими эффективными популяциями, но исследователи обнаружили обратное. Например, они обнаружили, что Симбиодиниумпротисты, о которых известно, что их эффективный размер популяции гораздо выше, чем у людей, наземных растений и других беспозвоночных, — это вид, который, по-видимому, получает больше всего интронов среди опрошенных.

Но это исследование указывает на сложность, возникающую не из-за адаптации, созданной самим геномом, а как ответ на конфликт, вызванный вторгающимся мобильным элементом, интронером, когда он пытается размножаться. Поскольку интронеры и другие элементы борются за выживание и сохранение, этот конфликт приводит к сложности генома.

Интронеры и экспрессия генов

От нейтрального до отрицательного воздействия интронов также свидетельствует их влияние на экспрессию генов. При сравнении генов со вставленными в них интронерами и генами без них, у тех, у которых есть интронеры, общий уровень экспрессии был ниже, что означает, что они реже включаются для выполнения функций в организме.

Исследователи полагают, что интронеры не обязательно напрямую вызывают эту более низкую экспрессию, но гены, которые экспрессируются меньше, имеют более высокую толерантность к элементу, который может оказывать на них негативное влияние, потому что они имеют меньшее значение для выживания вида. Между тем, гены с высокой экспрессией, которые могут кодировать ключевые функции в организме, скорее всего, не выдержат введения новых интронов, которые могут заставить их выполнять свою задачу менее эффективно.

Текущие исследования Корбетт-Детиг по этой теме также включают поиск прямых доказательств того, как появление интронов в геноме влияет на особей внутри вида. Он идентифицировал несколько видов, которые испытывают постоянные выбросы интронов, и изучает влияние интронеров на ДНК и РНК клетки и то, как это влияет на эволюционную приспособленность вида.

---

---