Ученые раскрыли механизм перемещения ретротранспозонов по геному - «Наука»

Добавлено 13-июл-2023, 00:00 От Изабелла

Международная группа ученых исследовала некодирующие элементы ДНК на модели яиц плодовых мушек-дрозофил (Drosophila melanogaster). Авторы работы определили, что класс мобильных генетических элементов — ретротранспозоны — для своего синтеза и перемещения «эксплуатируют» ферменты, участвующие в механизме восстановления повреждений ДНК. Работа опубликована в журнале Nature.
Удивительно, но наш геном лишь на 2% состоит из ДНК, кодирующей белки. Остальные 98% отведены различным некодирующим участкам, чью функцию ученые активно исследуют. В среднем 50% некодирующей ДНК составляют мобильные генетические элементы. Мобильные элементы — это участки ДНК, которые способны перемещаться внутри генома, используя при этом различные внутриклеточные механизмы. Среди них около 42% — это ретротранспозоны.
Ретротранспозоны по способу своей транслокации подобны ретровирусам. Их перемещение происходит по механизму «копировать-вставить»: на участке генома РНК-полимераза синтезирует РНК, затем при помощи обратной транскрипции молекула РНК переводится обратно в фрагмент ДНК, который интегрируется в геном на новом месте. Несмотря на большую распространенность ретротранспозонов в геноме, точный механизм их «миграции» остается до конца не изучен.
Группа ученых из Университета Дьюка выяснила, что ретротранспозоны для своей транслокации используют белки, участвующие в репарации ДНК, формируя при этом промежуточную кольцевую двуцепочечную ДНК структуру.
Исследование происходило в несколько этапов. Вначале при помощи секвенирования биологи изучили активность мобильных генетических элементов в яйцах плодовых мушек-дрозофил (Drosophila melanogaster). Ученые обнаружили, что ретротранспозоны малоактивны в зародышевых стволовых клетках — недифференцированных ооцитах. Ретротранспозоны накапливаются в «клетках-няньках», секретирующих сигнальные молекулы и питательные вещества для правильного развития ооцитов. Затем мобильные элементы транслоцируются в геном ооцита, который будет передаваться последующему поколению.
Используя эту уникальную биологическую систему, ученые смогли охарактеризовать жизненный цикл ретротранспозонов. Исследователи провели серию экспериментов, где последовательно «выключали» различные белки, отвечающие за организацию и стабильность генетического материала в клетке. Результаты секвенирования показали, что синтез и интеграция в геном мобильных элементов зависит от наличия в клетках ферментов, участвующих в репаративной системе двунитевых разрывов в ДНК-цепи.
Согласно предложенной учеными модели, ретротранспозоны при помощи белков репарации формируют двуцепочечную кольцевую ДНК молекулу. Данная структура либо встраивается в новый участок генома при помощи двунитевых разрывов в ДНК-цепи или продолжает существовать в клетке в своей кольцевой форме.
«Внехромосомные кольцевые ДНК были открыты еще в 60-х годах, однако их функция в генетическом аппарате оставалась неизвестна. Сейчас, мы получили данные о том, что кольцевая ДНК может быть промежуточным звеном для создания новых вставок в геном», — рассказывает Чжао Чжан из Университета Дьюка.
На следующих этапах исследования ученые планируют проверить, могут ли кольцевые ДНК элементы вызвать иммунный ответ. А также, исследовать взаимосвязь между внехромосомными кольцевыми ДНК и онкологическими заболеваниями.

Международная группа ученых исследовала некодирующие элементы ДНК на модели яиц плодовых мушек-дрозофил (Drosophila melanogaster). Авторы работы определили, что класс мобильных генетических элементов — ретротранспозоны — для своего синтеза и перемещения «эксплуатируют» ферменты, участвующие в механизме восстановления повреждений ДНК. Работа опубликована в журнале Nature. Удивительно, но наш геном лишь на 2% состоит из ДНК, кодирующей белки. Остальные 98% отведены различным некодирующим участкам, чью функцию ученые активно исследуют. В среднем 50% некодирующей ДНК составляют мобильные генетические элементы. Мобильные элементы — это участки ДНК, которые способны перемещаться внутри генома, используя при этом различные внутриклеточные механизмы. Среди них около 42% — это ретротранспозоны. Ретротранспозоны по способу своей транслокации подобны ретровирусам. Их перемещение происходит по механизму «копировать-вставить»: на участке генома РНК-полимераза синтезирует РНК, затем при помощи обратной транскрипции молекула РНК переводится обратно в фрагмент ДНК, который интегрируется в геном на новом месте. Несмотря на большую распространенность ретротранспозонов в геноме, точный механизм их «миграции» остается до конца не изучен. Группа ученых из Университета Дьюка выяснила, что ретротранспозоны для своей транслокации используют белки, участвующие в репарации ДНК, формируя при этом промежуточную кольцевую двуцепочечную ДНК структуру. Исследование происходило в несколько этапов. Вначале при помощи секвенирования биологи изучили активность мобильных генетических элементов в яйцах плодовых мушек-дрозофил (Drosophila melanogaster). Ученые обнаружили, что ретротранспозоны малоактивны в зародышевых стволовых клетках — недифференцированных ооцитах. Ретротранспозоны накапливаются в «клетках-няньках», секретирующих сигнальные молекулы и питательные вещества для правильного развития ооцитов. Затем мобильные элементы транслоцируются в геном ооцита, который будет передаваться последующему поколению. Используя эту уникальную биологическую систему, ученые смогли охарактеризовать жизненный цикл ретротранспозонов. Исследователи провели серию экспериментов, где последовательно «выключали» различные белки, отвечающие за организацию и стабильность генетического материала в клетке. Результаты секвенирования показали, что синтез и интеграция в геном мобильных элементов зависит от наличия в клетках ферментов, участвующих в репаративной системе двунитевых разрывов в ДНК-цепи. Согласно предложенной учеными модели, ретротранспозоны при помощи белков репарации формируют двуцепочечную кольцевую ДНК молекулу. Данная структура либо встраивается в новый участок генома при помощи двунитевых разрывов в ДНК-цепи или продолжает существовать в клетке в своей кольцевой форме. «Внехромосомные кольцевые ДНК были открыты еще в 60-х годах, однако их функция в генетическом аппарате оставалась неизвестна. Сейчас, мы получили данные о том, что кольцевая ДНК может быть промежуточным звеном для создания новых вставок в геном», — рассказывает Чжао Чжан из Университета Дьюка. На следующих этапах исследования ученые планируют проверить, могут ли кольцевые ДНК элементы вызвать иммунный ответ. А также, исследовать взаимосвязь между внехромосомными кольцевыми ДНК и онкологическими заболеваниями.