Эволюция регуляторных последовательностей ведет к эволюции видов

Современные методы позволяют увидеть экспрессию сразу нескольких генов в клетке. На этой фотографии эмбриона дрозофилы разными цветами показана «география» работы генов раннего развития, в том числе и регуляторных. У одного из этих генов — sog — обнаружены теневые энхансеры. Фото с сайта www.drosophila-images.org
Современные методы позволяют увидеть экспрессию сразу нескольких генов в клетке. На этой фотографии эмбриона дрозофилы разными цветами показана «география» работы генов раннего развития, в том числе и регуляторных. У одного из этих генов — sog — обнаружены теневые энхансеры. Фото с сайта www.drosophila-images.org

Американские ученые, работающие с геномами ранних зародышей дрозофил, обнаружили новый тип регуляторных нуклеотидных последовательностей — теневые энхансеры. Действие теневых энхансеров такое же, как и основных, только его можно обнаружить лишь при отключении основных энхансеров. Кроме того, теневые энхансеры расположены далеко от генов, работу которых они регулируют. Теневые энхансеры мутируют в среднем в 1,6 раз быстрее, чем основные. Широкая изменчивость свидетельствует об участии регуляторных механизмов в видообразовании.

Майкл Левин (Michael S. Levine) с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли (США) сообщили о результатах исследования регуляции генов раннего развития у дрозофил. Короткое сообщение в Science продолжает серию публикаций этой команды ученых по данной тематике. Исследования сфокусированы на анализе регуляции транскрипционного фактора Dorsal (DL) и возможном участии регуляторных механизмов в видообразовании. Белок DL отвечает за разделение брюшной и спинной стороны у ранних эмбрионов дрозофил. Важно было выяснить, во-первых, какие гены включаются этим транскрипционным фактором, и, во-вторых, определить в нуклеотидной последовательности места его прикрепления к ДНК, то есть сайты связывания.

Обе задачи решались хорошо отработанным ChIP-chip методом (см. о нём также здесь). Название метода расшифровывается как хроматин иммунопреципитация (Chromatin ImmunoPrecipitation, ChIP) с последующим определением выделенных последовательностей ДНК на стандартных микрочипах (chip). Исследования Левина с коллегами показали, что DL имеет сотни сайтов связывания, рассыпанных по всему геному, то есть активизирует экспрессию сотни генов. Кроме того, среди сайтов связывания DL нашлось около сорока энхансеров — кластеров сайтов связывания транскрипционных факторов, усливающих экспрессию одного гена (в широком смысле энхансером иногда называют и одиночный сайт связывания транскрипционного фактора). То есть энхансеры являются некодирующими регуляторными элементами, которые существенно активизируют транскрипцию генов. Подтвердить функциональность энхансеров удалось с помощью специально «сконструированных» трансгенных мутантных эмбрионов с выведенными из строя подозрительными участками ДНК. С помощью этих мутантов ученые выяснили, какие из нуклеотидных последовательностей работают в качестве энхансеров DL.

Но оказалось, что у генов, подчиненных DL, может быть даже не по одному, а по два энхансера. Как правило, энхансеры находятся вблизи (несколько тысяч пар нуклеотидных оснований) начала считывания гена, в некодирующих участках генома. Но в случае с DL-зависимыми генами их энхансеры могут располагаться и довольно далеко, в десятках тысяч пар нуклеотидных оснований от начала считывания, и вблизи других, индифферентных к DL, генов или даже внутри них. Такие необычные энхансеры были названы теневыми (shadow). Теневые энхансеры приданы, например, DL-зависимым генам brinker и sog (short gastrulation), отвечающим за рост и формирование органов в раннем развитии эмбриона. Соседние с теневыми энхансерами гены начинают экспрессироваться уже на более поздних стадиях развития эмбриона, поэтому очевидно, что транскрипционный фактор DL не имеет к ним никакого отношения. Отключив основные энхансеры мутациями, ученые показали, что их скрытые двойники определяют более или менее сходную картину экспрессии генов.

Картирование нуклеотидных последовательностей показывает, что считывание трети или даже половины генов, регулируемых транскрипционным фактором DL, может зависеть так или иначе от участия теневых энхансеров. Структура теневых энхансеров во многом сходна с основными, но отличия всё же имеются. Так, основные энхансеры для brinker содержат сайты связывания для трех транскрипционных факторов, при этом устойчивыми являются пары DL и Twist (связанный с DL другой транскрипционный фактор), а третий сайт с устойчивой последовательностью нуклеотидов (мотивом) CAGGTAG не связан с этими двумя. В теневом энхансере последовательность CAGGTAG оказалась связанной с DL. Для гена sog основные энхансеры не содержат сайтов связывания Twist, зато они встречаются в теневых энхансерах и в паре с DL, и в паре c CAGGTAG.

Положение сайтов связывания трех транскрипционных факторов генов brinker и sog. Пунктирными линиями обведены энхансеры, основные и теневые. Видно, что структура основных и теневых энхансеров отличается. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
Положение сайтов связывания трех транскрипционных факторов генов brinker и sog. Пунктирными линиями обведены энхансеры, основные и теневые. Видно, что структура основных и теневых энхансеров отличается. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Чтобы оценить изменчивость энхансеров, ученые построили кладограммы 12 близких видов дрозофил отдельно для теневых и основных мотивов. Кладограммы построили и для энхансеров brinker, и для энхансеров sog. И далее по длине полученных кладограмм оценили скорость мутирования у основных и теневых энхансеров. Оказалось, что теневые энхансеры мутировали в среднем в 1,6 раз чаще, чем основные: brinker — в 1,8 раз, sog — в 1,4 раза.

Это означает, что теневые энхансеры более изменчивы и, таким образом, представляют больше материала для естественного отбора. Они могут менять места работы и активность транскрипционных факторов, настраивая системы организма к новым условиям. Ученые предполагают, что теневые энхансеры могут появляться в результате дупликаций некодирующих участков генома. Бессмысленные мутации в дубликате никак не отразятся на экспрессии генов, так как нормальное функционирование генов поддерживается основными энхансерами. Полезные мутации при этом могут стать запасным вариантом или начать работать в нестабильных или новых условиях. Поэтому появление новой копии регуляторного участка может стать начальным этапом видообразования.

Это на редкость технологичное и кропотливое исследование, оно включает комбинацию многих методик и этапов. Тут и иммунопреципитация хроматина, тут и определение нуклеотидных последовательностей, затем получение эмбрионов с нужными мутациями, анализ экспрессии белков в этих эмбрионах, биоинформатика с библиотеками генов и метаболических путей, построение кладограмм... Пока это очень сложный путь со множеством возможных препятствий, но он ведет к пониманию реальной роли регуляторных последовательностей в жизнеобеспечении организмов и их эволюции.

Источник: Joung-Woo Hong, David A. Hendrix, Michael S. Levine. Shadow Enhancers as a Source of Evolutionary Novelty // Science. 5 September 2008. V. 321. P. 1314. DOI: 10.1126/science.1160631.

См. также:
1) Gregory A. Wray, Cortney C. Babbitt. Enchancing gene regulation // Science. 5 September 2008. V. 321. P. 1300–1301.
2) F. Biemar et al. Comprehensive identification of Drosophila dorsal–ventral patterning genes using a whole-genome tiling array // Proceedings of the National Academy of Sciences USA (2006). V. 103. P. 12763–12768.
3) J. Zeitlinger et al. Whole-genome ChIP–chip analysis of Dorsal, Twist, and Snail suggests integration of diverse patterning processes in the Drosophila embryo // Genes & Development (2007). V. 21. P. 385–390.


0
Написать комментарий


    Другие новости


    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»