Прыгающие гены проливают свет на возникновение сложной жизни

Взаимодействие в геноме, ранее недооценённое, могло быть одной из движущих сил в возникновении сложной жизни миллиарды лет назад.

Исследование началось с изучения ретротранспозонов, или "прыгающих генов" — последовательностей ДНК, которые копируют и вставляют себя в геном, быстро размножаясь. Почти половина человеческого генома состоит из ретротранспозонов, в то время как у бактерий их почти нет.

Учёные задались вопросом, почему это так. Они провели эксперимент: вставили человеческий ретротранспозон в бактерию. Результат оказался летальным для бактерий.

"Когда они прыгают и копируют себя, они встраиваются в гены, необходимые бактериям для выживания. Это невероятно смертельно для них", — объяснил Томас Кульман.

При копировании ретротранспозон разрезает ДНК. Организм должен восстановить разрыв. Бактерии, такие как E. coli, имеют только один способ репарации, который обычно удаляет новый ретротранспозон. Сложные организмы (эукариоты) обладают дополнительным механизмом — негомологичным соединением концов (NHEJ).

Когда учёные дали бактериям возможность использовать NHEJ, ожидая повышения устойчивости, результат оказался противоположным. NHEJ сделал ретротранспозоны ещё более эффективными в размножении, что привело к ещё большим повреждениям.

Это навело на мысль, что взаимодействие между NHEJ и ретротранспозонами может быть ключевым. В геноме эукариот идёт постоянное "противоборство": NHEJ пытается контролировать скорость размножения ретротранспозонов. Это даёт организму больше контроля над своим геномом и приводит к накоплению "мусорной" ДНК.

"Чем больше "мусора" в вашей ДНК, тем больше возможностей комбинировать эти кусочки разными способами", — отметил Кульман.

Это накопление "мусорной" ДНК, наличие ретротранспозонов и их взаимодействие с NHEJ делают геном более сложным — одну из черт, отличающих сложные организмы (например, человека) от простых (бактерий).

Справиться с этим "мусором" эукариотам помогает сплайсосома — молекулярная машина, которая сортирует некодирующие участки и "сшивает" гены обратно. Части сплайсосомы похожи на групповые II интроны — примитивную бактериальную версию ретротранспозонов.

Исследование предполагает, что групповые II интроны (предки интронов в сплайсосоме и ретротранспозонов) каким-то образом проникли в ранние эукариотические клетки. Затем их взаимодействие с NHEJ создало эволюционное давление, которое способствовало возникновению сплайсосомы миллиарды лет назад.

Сплайсосома позволила эукариотам делать больше со своими генами. Например, у человека примерно столько же генов, сколько у червя C. elegans, но человек может комбинировать их для выполнения гораздо более сложных функций.

Исследование также предполагает, что взаимодействие NHEJ и ретротранспозонов могло способствовать переходу от кольцевых хромосом (как у бактерий) к линейным (как у сложных организмов).

"Если бы этого не произошло, трудно представить, как могла бы возникнуть сложная жизнь", — заключил Найджел Голденфельд.

Это исследование помогает ответить на более широкие вопросы о том, что необходимо для перехода жизни от простой к сложной. Понимание этих процессов может помочь в оценке возможности существования сложной жизни на других планетах.

"Если жизнь существует на других планетах, можно предположить, что она, скорее всего, будет микробной. Смогла бы она совершить этот переход к сложной жизни?" — задаётся вопросом Голденфельд.

Лабораторные измерения и моделирование эволюции, проведённые в этой работе, становятся своеобразной "машиной времени", позволяющей заглянуть в процессы, происходившие миллиарды лет назад.