Гиперметилирование помогает одноклеточному родственнику животных приручить гены вирусов

Рис. 1. Главный герой обсуждаемой статьи — одноклеточная эукариота Amoebidium appalachense. В природе эти микроорганизмы живут на кутикуле пресноводных ракообразных и насекомых, по-видимому, являясь их симбионтами. Изоляты Amoebidium sp. можно культивировать в лабораторных условиях, чем и воспользовались авторы. Синим окрашена ДНК, зеленым — актин. Фото из обсуждаемой статьи и с сайта eurekalert.org

Метилирование ДНК — это один из основных механизмов регуляции экспрессии генов у многих эукариот. Международная группа ученых продемонстрировала защитную роль гиперметилирования — то есть очень большой концентрации метильных меток на небольшом участке ДНК — на примере Amoebidium appalachense — амебы, родственной животным. На этих амебах паразитируют гигантские вирусы, которые встраивают свои гены в геном A. appalachense. Авторы выяснили, что в ДНК A. appalachense гиперметилированию подвергаются участки, содержащие гены гигантских вирусов. При этом оказалось, что некоторые фрагменты вирусной ДНК все же могут кодировать белки — на их долю может приходиться до 14% протеома амебы, — но сборка вирусных частиц не происходит.

Внутри любой живой клетки постоянно экспрессируется множество генов, продукты которых необходимы ей для полноценного функционирования. При этом в каждый момент времени клетке не надо, чтобы все гены ее генома были активны: некоторые гены нужно уметь отключать (временно или насовсем), темпы экспрессии других нужно уметь снижать или наоборот увеличивать. Для всего этого у клетки есть разные механизмы регуляции активности генов. Один из них — метилирование цитозинов в динуклеотидах ЦГ (см. CpG site) в промоторных областях генов, то есть ковалентное пришивание метильной группы (-CH₃) к остаткам цитозина (рис. 2, см. Метилирование ДНК). В результате образуется 5-метилцитозин (5-Methylcytosine, 5mC). За это ответственны ферменты ДНК-метилтрансферазы (DNMT).

Рис. 2. Схема метилирования и деметилирования. За метилирование отвечают ферменты из группы ДНК-метилтрансфераз (DNMT), которые присоединяют метильную группу (желтые кружочки) к цитозину. Деметилирование происходит при помощи ферментов из семейства TET (ten-eleven translocation enzymes). Рисунок из статьи A. Valente et al., 2023. The Effect of Nanomaterials on DNA Methylation: A Review

При метилировании не меняется нуклеотидная последовательность, поэтому эта модификация ДНК довольно легко обратима (этот процесс называется деметилированием). Как правило, чем сильнее метилирован промотор гена, тем ниже его активность, и наоборот.

Метилирование — это один из основных механизмов регуляции активности генов у многих эукариот, в частности — у растений и животных. Например, у млекопитающих метилировано 60–70% всех ЦГ-динуклеотидов. DNMT также обнаружены у некоторых грибов. Судя по тому, что эти ферменты присутствуют у настолько разных групп эукариот, которые эволюционно разошлись очень давно, DNMT имелись уже у общего эукариотического предка.

Ранее было показано, что у млекопитающих метилирование подавляет ретровирусные вставки, то есть препятствует перемещению по геному элементов, которые используют обратную транскрипцию. Бактерии тоже используют метилирование для защиты от вирусов.

Несмотря на защитные механизмы многие гены эукариот имеют вирусное происхождение, причем особенно часто источниками вставок становились гигантские вирусы, заражающие амеб. Считается, что гигантские вирусы могли возникнуть еще до современных эукариот, и их генетический материал стал источником важных генов, которые были интегрированы в геном на этапе эукариогенеза. Тем удивительнее, что некоторые ветви эукариот утратили этот механизм, причем часть из этих эукариот эволюционно весьма близки к животным. Что же произошло с метилированием ДНК на эволюционном пути от одноклеточных к животным?

Авторы статьи, опубликованной в журнале Science Advances, попытались разобраться в этом вопросе. Для этого им нужен был организм, который близок к животным, имеет хотя бы один ортолог DNMT, и которого можно было бы культивировать в лаборатории. Поиск по базам геномов и транскриптомов представителей группы Holozoa привел авторов к Amoebidium appachense — одноклеточному из группы ихтиоспорид, обитающему на кутикуле пресноводных членистоногих.

В геноме A. appachense закодирована ДНК-метилтрансфераза DNMT1, причем ее доменный состав не отличается от такового у животных. Ученые секвенировали и детально изучили геном амебы. Они обнаружили, что на самом деле в геноме A. appachense закодированы целых 18 DNMT! Часть из них имеет родственников среди ферментов эукариот, а часть специфична для одноклеточных эукариот.

Характер метилирования белок-кодирующих генов у A. appachense близок к таковому у животных и растений. Уровень метилирования составляет 40% — немало даже по меркам беспозвоночных. Интересно, что большинство метильных меток у A. appachense приходятся лишь на два типа тринуклеотидов — CGC и GCG: их уровень метилирования достигает 70%, так что их можно вполне назвать гиперметилированными. Это указывает на то, что амеба чаще задействует определенные DNMT, которые предпочитают те или иные нуклеотидные контексты.

Удивительно, что авторы не обнаружили явной связи между уровнем метилирования генов и их экспрессией, характерной для животных и растений (у которых, напомним, эта зависимость обратная: чем ниже метилирование, тем активнее ген, и наоборот): все активные гены, несмотря на уровень активности, имеют схожий уровень метилирования (хотя «молчащие» гены отличаются слегка повышенным уровнем метилирования). Почти половина генома A. appachense приходится на транспозоны, поэтому, вероятно, ей пришлось обзавестись эффективными способами подавления их активности.

Далее авторы работы разобрались, что именно A. appachense «отключает» с помощью метилирования ДНК. Было показано, что на всех хромосомах есть «островки гиперметилирования» — участки генома с необычно высоким уровнем метилирования, причем для нескольких из них уже было известно, что они содержат много транспозонов. Многие из этих «островков» явно содержали большое число закодированных генов. Проведя поиск по биоинформатическим базам данных, авторы выяснили, что это гены гигантских вирусов (например, гены, кодирующие их капсидные белки). Авторы назвали их GEVE (giant endogenous viral elements — эндогенные элементы гигантских вирусов). По подсчетам, целых 14% от всех белок-кодирующих генов A. appachense являются вирусными.

Судя по последовательностям вставок, эти чужеродные вирусные фрагменты происходят от разных вирусов, поэтому их накопление проходило постепенно. В то же время, полного набора генов гигантских вирусов у A. appachense не было выявлено. Авторы предполагают, что сразу после интеграции вирусного генома в геном амебы вирус теряет часть генов. Часть вставок представляет собой тандемные кластеры, которые состоят из повторяющихся генов, почти не содержащих интроны (фрагменты, которые вырезаются из матричной РНК при ее созревании). Некоторые из этих генов кодируют тирозинрекомбиназу — основной фермент, который отвечает за вставку транспозонов в эукариотических геномах. Авторы отдельно отметили, что родственники этого фермента есть у динофлагеллятов и красных водорослей, поэтому, вероятно, здесь имел место горизонтальный перенос генов.

Клетка использует массу механизмов, чтобы бороться с попавшими в нее вирусами и противодействовать экспрессии вирусных генов. Многие вирусы, встроив свой генетический материал в геном клетки, смиряются и «затихают». Но в некоторых случаях они могут «сопротивляться» и специально модифицируют собственные геномы еще до интеграции. Еще одна возможность — как-то повлиять на клеточные ферменты, чтобы так или иначе «выйти на свободу», или украсть определенные белки клетки-хозяина. Помимо метилирования ДНК, клетка может использовать метки, которые локально определяют структуру хроматина посредством сшивания с гистонами — белками, связывающими ДНК. Метки бывают ацетильные и метильные. Удаление метильных меток осуществляет фермент гистондеметилаза. У A. appachense была обнаружена гистондеметилаза KDM4, родственная аналогичным ферментам у других эукариот. Есть KDM4-подобный фермент и у многих GEVE. Предполагается, что эндогенные вирусы, которые каким-то образом получили KDM4, могут использовать этот фермент для поддержания хроматина в открытом состоянии, в котором возможна и интеграция вируса, и горизонтальный перенос генов между амебой и гигантским вирусом.

Наконец, авторы убедились, что деметилирование ДНК должно активировать GEVE. При удалении метильных меток у A. appachense активируются сразу 26% фрагментов эндогенных гигантских вирусов. Любопытно, что при этом сборка вирусных частиц, наличие которых было бы возможно при «побеге» вирусов, не происходила. Авторы заключают, что часть критически важных для вируса генов или была утрачена, или необратимо повреждена мутациями.

Результаты исследования подтверждают гипотезу о том, что метилирование ДНК — как защитный механизм — возникло на самой заре эволюции эукариот. Более того, авторы полагают, что метилирование имело важное эволюционное значение, позволив нашим далеким одноклеточным предкам не только отбиваться от вирусов, но и приручать их, находя впоследствии полезное применение вирусным генам. Вирусы же могут использовать ДНК-метилтрансферазы, чтобы обходить клеточную защиту и делать свою ДНК неотличимой от «нормальной».

Источник: Luke A. Sarre, Iana V. Kim, Vladimir Ovchinnikov, Marine Olivetta, Hiroshi Suga, Omaya Dudin, Arnau Sebé-Pedrós, Alex de Mendoza. DNA methylation enables recurrent endogenization of giant viruses in an animal relative // Science Advances. 2024. DOI: 10.1126/sciadv.ado6406.

Елизавета Минина