Раскрытие эволюционного происхождения геномного импринтинга
Лаборатория Бурги в Институте молекулярной биотехнологии (IMBA) Австрийской академии наук обнаружила новый процесс регуляции генов, связанный с подавлением «эгоистичных генов», который может представлять собой первый шаг в эволюции импринтинга.
Геномный импринтинг — это явление, при котором экспрессия некоторых генов зависит от того, унаследованы они от матери или отца. Механизм определяется модификациями ДНК (метилированием) во время образования яйцеклеток и сперматозоидов, которые стираются и перезаписываются в каждом поколении.
Как этот механизм эволюционировал, оставалось загадкой. Ключом к её решению является понимание происхождения эффектов родительского происхождения — основы для эволюции импринтинга.
Тридцать лет назад Дениз Барлоу выдвинула гипотезу, что импринтинг может быть эволюционно связан с механизмами защиты генома, подавляющими паразитические «эгоистичные генетические элементы». Однако прямое доказательство этой связи отсутствовало.
Открытие эффекта родительского происхождения у нематод
Исследователи из лаборатории Алехандро Бурги в сотрудничестве с лабораторией Эяля Бен-Давида впервые обнаружили эффект родительского происхождения у нематод (круглых червей) C. tropicalis, о чём сообщили в журнале Nature 6 марта 2024 года.
Они изучали токсин-антидотные элементы (TAs) — тип «эгоистичных» генов, которые отравляют яйцеклетки токсином, а выживают только те потомки, которые унаследовали антидот.
Ключевое наблюдение: эффект элемента TA зависел от того, от какого родителя он был унаследован.
- При материнском наследовании TA — яйца отравлялись.
- При отцовском наследовании TA — эффекта отравления не было.
Механизм: «Лицензирование» материнской мРНК подавляет защитный путь piRNA
Чтобы понять механизм, учёные изучили основной путь защиты зародышевой линии от эгоистичных элементов — путь piRNA. Этот путь с помощью малых молекул РНК и белков подавляет экспрессию чужеродных элементов.
Оказалось, что ключевым недостающим элементом была материнская мРНК токсина:
- При материнском наследовании TA в яйцеклетку попадает не только сам элемент, но и мРНК токсина, экспрессируемая в зародышевой линии матери.
- Эта мРНК действует как эпигенетическая лицензия, помечая TA как «свой» и подавляя путь piRNA, который в норме должен его заставить замолчать. Это «подавление подавителя» позволяет гену токсина быть активным.
- При отцовском наследовании материнская мРНК отсутствует, лицензирования нет, и путь piRNA сильно подавляет ген токсина, поэтому яйца не отравляются.
Интересно, что этот паттерн подавления сохранялся в течение нескольких поколений, что отличается от геномного импринтинга, который сбрасывается в каждом поколении.
Эволюционная связь
Результаты работы укрепляют эволюционную связь между родитель-специфичной экспрессией генов и механизмами защиты хозяина, прослеживая истоки этого явления у организмов, лишённых метилирования ДНК и канонического импринтинга.
Механизм, описанный группой Бурги, может представлять собой эволюционный первый шаг к более сложным формам наследуемого сайленсинга, которые в итоге стали регулировать экспрессию собственных генов клетки, что привело к эволюции геномного импринтинга.