Связующие элементы объединяют далекие гены для координации развития эмбриона
В исследовании, опубликованном 4 мая 2022 года в журнале Nature, ученые из Принстонского университета показали, как специализированные генетические последовательности координируют сложную хореографию экспрессии генов, необходимую для нормального развития эмбриона плодовой мушки (Drosophila melanogaster) на ранних стадиях.
Во время эмбрионального развития определенные наборы генов должны включаться в строго ограниченные временные окна. Часто эти гены представляют собой пары или множественные копии высокосходных генов, расположенных в одной области хромосомы, но на большом линейном расстоянии друг от друга.
«Гены исторически считались независимыми агентами, контролирующими деятельность клеток, — сказал Майкл Левин, один из руководителей исследования. — Наша работа предоставляет первые убедительные доказательства того, что трехмерная близость координирует активность генов, удаленных друг от друга по длине хромосомы».
Экспрессия генов контролируется регуляторными последовательностями — энхансерами. Ранее считалось, что у каждого гена есть свой собственный энхансер. Однако авторы работы обнаружили новый тип регуляторных элементов — связующие элементы (tethering elements).
Эти элементы, работая парами, физически сближают в трехмерном пространстве родственные гены, расположенные далеко друг от друга на одной хромосоме. Это позволяет нескольким генам оказаться под влиянием одного и того же энхансера и координированно включиться.
«С помощью высокоразрешающих анализов конформации хромосом мы выявили 56 случаев дальнего сближения генов в течение одного часа развития Drosophila», — сказал Томас Грегор, соавтор исследования.
«Мы показываем, что по всему геному несколько генов могут вступать в контакт друг с другом и координировать свою активность, используя один и тот же энхансер», — добавил Жуан Раймундо, соавтор работы.
Мутации в связующих элементах около одного гена вызывают драматические изменения в динамике экспрессии другого гена, расположенного на большом линейном расстоянии.
«В этом исследовании авторы предоставляют доказательства, что корегуляция генов через общие элементы может быть общей чертой геномов животных», — прокомментировал Джастин Крокер из EMBL Heidelberg, не участвовавший в работе.
Это может представлять собой общую стратегию интеграции и координации активности далеких регуляторных генов, что имеет далеко идущие последствия для развития животных и заболеваний.
Исследователи планируют расширить свои исследования на эмбрионы млекопитающих, включая человека, и выяснить, участвуют ли связующие элементы в формировании других, еще не открытых связей в геноме.
Исследование «Transcriptional coupling of distant regulatory genes in living embryos» опубликовано в журнале Nature.