Гонка вооружений, которая разворачивается в одном геноме

Научная технология

Гонка биологических вооружений – обычное явление в природе. Гепарды, например, развили гладкую форму тела, которая позволяет им быстро бегать, что позволяет им лакомиться столь же быстрыми газелями, самые быстрые из которых могут уклоняться от хищников. На молекулярном уровне иммунные клетки производят белки для борьбы с патогенами, которые, в свою очередь, могут вызывать мутации, чтобы избежать обнаружения.

Хотя они менее известны, в геноме разворачиваются и другие игры с преимуществом. В новом исследовании биологи из Пенсильванского университета впервые демонстрируют доказательства двусторонней геномной гонки вооружений, включающей участки повторяющейся ДНК, называемые спутниками. «Противостоящими» быстро развивающимся спутникам в гонке вооружений являются столь же быстро развивающиеся белки, которые связывают эти спутники.

Хотя сателлитная ДНК не кодирует гены, она может способствовать важным биологическим функциям, таким как формирование молекулярных машин, которые обрабатывают и поддерживают хромосомы. Когда сателлитные повторы регулируются неправильно, это может привести к нарушению этих важнейших процессов. Такие нарушения являются признаками рака и бесплодия.

Используя два близкородственных вида плодовых мух, исследователи исследовали эту гонку вооружений, целенаправленно вводя несоответствие видов, противопоставляя, например, сателлитную ДНК одного вида белку, связывающему сателлиты другого вида. Результатом стали серьезные нарушения фертильности, подчеркивающие хрупкий баланс эволюции даже на уровне одного генома.

«Обычно мы думаем о нашем геноме как о сплоченном сообществе элементов, которые производят или регулируют белки для создания плодовитого и жизнеспособного человека», — говорит Миа Левин, доцент кафедры биологии Школы искусств и наук Пенсильванского университета и старший автор работы. , опубликованное в журнале Current Biology. «Это наводит на мысль о сотрудничестве между нашими геномными элементами, и это во многом верно.

«Но некоторые из этих элементов, по нашему мнению, на самом деле вредят нам», — говорит она. «Эта тревожная идея предполагает, что должен быть механизм, позволяющий держать их под контролем».

Результаты исследователей, которые, вероятно, будут актуальны и для людей, предполагают, что, когда сателлитная ДНК время от времени ускользает от управления сателлитно-связывающими белками, могут возникнуть значительные затраты на приспособленность, включая воздействие на молекулярные пути, необходимые для фертильности и, возможно, даже те, которые имеют отношение к фертильности. развитие рака.

«Эти результаты показывают, что между этими элементами происходит антагонистическая эволюция, которая может влиять на эти, казалось бы, консервативные и важные молекулярные пути», — говорит Кара Брэнд, постдок в лаборатории Левина и первый автор работы. «Это означает, что в ходе эволюции для поддержания статус-кво требуются постоянные инновации».

Давно известно, что геном состоит не только из генов. Между генами, дающими начало белкам, можно обнаружить длинные участки того, что Левин называет «тарабарщиной».

«Если гены — это слова, и вы должны прочитать историю нашего генома, то остальные части бессвязны», — говорит она. «Долгое время его игнорировали как геномный мусор».

Спутниковая ДНК является частью этого так называемого «мусора». У Drosophila melanogaster, вида плодовых мух, часто используемого в качестве научного модельного организма, сателлитные повторы составляют примерно половину генома. Однако, поскольку они развиваются так быстро без каких-либо видимых функциональных последствий, ученые раньше считали, что сателлитные повторы вряд ли будут приносить какую-либо пользу в организме.

Но более поздние работы пересмотрели эту теорию «мусорной ДНК», показав, что «тарабарщина», включая сателлитные повторы, играет множество ролей, многие из которых связаны с поддержанием целостности генома и структуры в ядре.

«Так что это представляет собой парадокс», — говорит Левин. «Если эти области генома, которые часто повторяются, на самом деле выполняют важную работу или, если ими не управлять должным образом, могут быть вредными, это говорит о том, что нам нужно держать их под контролем».

В 2001 году группа ученых выдвинула теорию, предполагающую, что происходит коэволюция, при которой спутники быстро развиваются, а белки, связывающие сателлиты, развиваются, чтобы не отставать. Спустя два десятилетия ученые поддержали эту теорию. С помощью генетических манипуляций эти исследования позволили ввести сателлитный белок одного вида в геном близкородственного вида и наблюдать, что происходит в результате несовпадения.