Генные захватчики остановлены защитой генома клетки

Внутри наших клеток идут настоящие генетические войны, где вторгающаяся ДНК постоянно угрожает подорвать человеческую генетическую программу. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF), основываясь на нобелевских открытиях, обнаружили молекулярную машину, которая помогает защищать гены клетки от этих ДНК-интервентов.

Машина, названная SCANR, распознает и нацеливается на чужеродную ДНК. Команда UCSF идентифицировала её в дрожжах, но учитывая сходство дрожжевых и человеческих клеток, аналогичные механизмы могут быть найдены и у людей. Они потенциально могут снижать бремя наследственных заболеваний и смертности.

Целями SCANR являются небольшие участки ДНК, называемые транспозонами ("прыгающими генами"). Они обнаружены в геномах организмов от бактерий до человека и по сути являются "чужими" — каждый из них когда-то был импортирован в геном хозяина из другого вида.

В отличие от собственных генов организма, которые воспроизводятся один раз при делении клетки, транспозоны реплицируются многократно и встраиваются в случайные места ДНК клетки-хозяина. Когда они встраиваются в середину важного гена, это может вызвать его сбой, болезнь или врожденные дефекты.

Исследователи под руководством Хитена Мадхани (Hiten Madhani, MD, PhD) из UCSF обнаружили в SCANR новый способ, с помощью которого генетический аппарат в ядре клетки распознает и атакует транспозоны. Исследование было опубликовано 13 февраля в журнале Cell.

"Мы знали, что лишь небольшая часть наследственных болезней человека вызвана этими мобильными генетическими элементами. Теперь мы обнаружили, что клетки используют этап экспрессии генов, чтобы отличить "своё" от "чужого" и остановить распространение транспозонов", — сказал Мадхани.

Генные войны длятся эоны

Транспозоны вторгаются в геномы и пересекают видовые границы на протяжении всей эволюции. Быстро эволюционирующие виды бактерий часто используют их для передачи устойчивости к антибиотикам.

Почти половина ДНК в геноме человека состоит из транспозонов, и этот процент может медленно расти с каждым поколением. Около 20% транспозонов способны к репликации, не ограниченной обычными правилами репликации ДНК при делении клетки, хотя со временем большинство из них инактивировались.

В то время как люди "нафаршированы" транспозонами, по сравнению с некоторыми организмами им ещё повезло. Геном кувшинки на 99% состоит из транспозонов. У саламандры примерно столько же генов, сколько у человека, но у некоторых видов геном почти в 40 раз больше из-за вставленных, реплицирующихся транспозонов.

Открытие SCANR и того, как он нацеливается на транспозоны в дрожжах Cryptococcus neoformans, основывается на:

• Нобелевском открытии "прыгающих генов" Барбарой Макклинток.
• Нобелевском открытии Ричарда Робертса и Филлипа Шарпа о том, что части одного гена могут быть разделены в хромосомах промежуточными фрагментами ДНК — интронами. Интроны транскрибируются в РНК из ДНК, но затем вырезаются из инструкций по сборке белков (сплайсинг).

В текущем исследовании учёные обнаружили, что сплайсинговая машинерия клетки "зависает", когда доходит до интронов транспозонов. SCANR распознает этот сбой и предотвращает репликацию транспозона, запуская производство молекул "малой интерферирующей РНК" (siRNA), которые нейтрализуют РНК транспозона. Более раннее открытие Эндрю Файра и Крейга Мелло явления РНК-интерференции, лежащего в основе этого механизма, также привело к Нобелевской премии.

"Учёные могут обнаружить, что многие особенности экспрессии генов у высших организмов, как и сплайсинг интронов в случае SCANR, полезны для различения и защиты "своих" генов от "чужих", — отметил Мадхани.