Введение
Геномы всех животных, растений, грибов и простейших, которые в совокупности составляют область жизни, называемую эукариотами, имеют специфическую особенность, которая почти полвека озадачивала исследователей: их гены фрагментированы.
В их ДНК информация о том, как производить белки, не представлена в виде длинных связных последовательностей оснований. Вместо этого гены разделены на сегменты с промежуточными последовательностями или «интронами», отделяющими экзоны, кодирующие биты белка. Когда эукариоты экспрессируют свои гены, их клеткам приходится вырезать РНК из интронов и сшивать РНК из экзонов, чтобы реконструировать рецепты своих белков.
Тайна того, почему эукариоты полагаются на эту причудливую систему, углубилась с открытием того, что различные ветви генеалогического древа эукариот сильно различались по количеству интронов. В генах дрожжей, например, очень мало интронов, а в генах наземных растений их много. Интроны составляют почти 25% ДНК человека. То, как развилась эта огромная загадочная вариация частоты интронов, вызывало споры среди ученых на протяжении десятилетий.
Однако ответы могут наконец появиться в результате недавних исследований генетических элементов, называемых интронерами, которые некоторые ученые считают своего рода геномным паразитом. Эти фрагменты ДНК могут проникать в геномы и размножаться там, оставляя за собой множество интронов. В ноябре прошлого года исследователи представили доказательства того, что интронеры делали это у различных эукариот на протяжении всей эволюции. Более того, они показали, что интроны могут объяснить, почему взрывное увеличение количества интронов, по-видимому, было особенно распространено среди водных форм жизни.
Их результаты «могут объяснить подавляющее большинство прироста интронов». Расс Корбетт-Детиг, старший автор новой статьи и исследователь эволюционной геномики в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Загадка эукариотических геномов
Из-за того, что интроны усеивают их ДНК в горошек, если бы гены эукариот транслировались непосредственно в белки, полученные молекулы, как правило, были бы нефункциональным мусором. По этой причине все эукариотические клетки снабжены особыми генетическими ножницами, называемыми сплайсосомами. Эти белковые комплексы распознают отличительные последовательности, граничащие с интронной РНК, и удаляют ее из предварительных РНК-транскриптов активных генов. Затем они соединяют вместе кодирующие сегменты экзонов, чтобы получить информационную РНК, которую можно транслировать в рабочий белок.
(Некоторые прокариоты также имеют интроны, но у них есть способы обойти их, не задействуя сплайсосомы. Например, некоторые из их интронов «самосплайзируются» и автоматически удаляются из РНК.)
Почему естественный отбор у эукариот отдавал предпочтение интронам, которые необходимо было удалить сплайсосомами, неизвестно. Но ключ может заключаться в том, что такие интроны допускают альтернативный сплайсинг, явление, которое резко увеличивает разнообразие продуктов, которые могут возникать из одного гена. По словам Корбетт-Детиг, когда интронная РНК вырезается, последовательности экзонной РНК могут быть соединены вместе в новом порядке, чтобы получить немного другие белки.
Несмотря на влияние интронов на биологию и генетическую сложность эукариотических организмов, их эволюционное происхождение оставалось неясным. С момента открытия интронов в 1977 году исследователи разработали множество теорий о том, откуда взялись эти интрузивные последовательности. Было идентифицировано несколько механизмов, которые могли создавать интроны, и все они, возможно, внесли некоторые интроны в эукариоты. Но было трудно сказать, какой из них мог бы объяснить, откуда взялось большинство интронов.
Более того, тайна происхождения интронов только углубляется в свете экстремальных различий в том, где интроны проявляются на древе жизни эукариот. Некоторые линии особенно богаты ими, что указывает на внезапные наводнения интронами в ходе их эволюционной истории. По словам Корбетт-Детиг, когда вы исследуете древо жизни и сколько интронов находится на каждой его вершине, «вы можете довольно быстро понять, что должны быть определенные ветви, на которых сразу развилась абсолютная тонна интронов».
Одно из возможных объяснений этих взрывных вливаний интронов связано с необычным типом генетического элемента, известного как интронер. Впервые описан в 2009 году у одноклеточных зеленых водорослей. МикромонасВпоследствии интронеры были обнаружены в геномах некоторых других водорослей, некоторых видов грибов, крошечных морских организмов, называемых динофлагеллятами, и простых беспозвоночных, называемых оболочниками.
Отличительной особенностью интронеров является то, что они создают интроны. Интронеры копируют и вставляют себя в участки кодирующей ДНК, которые предлагают подходящий сайт сплайсинга. Затем они движутся дальше, оставляя после себя специфическую последовательность интронов, окруженную сайтами сплайсинга, которые расщепляют кодирующую ДНК на два экзона. Этот процесс может повторяться в массовом масштабе по всему геному. У грибов, например, интронеры, по-видимому, составляют большую часть прироста интронов, по крайней мере, за последние 100,000 XNUMX лет.
Введение
Как интроны достигают этого, стало ясно в 2016 году, когда исследователи обнаружили, что интроны двух видов водорослей имеют сильное сходство с ДНК-транспозонами, членами более крупного семейства генетических элементов, называемых мобильными элементами или «прыгающими генами». Транспозоны также вставляют в геномы огромное количество своих копий.
Параллели между интронами и транспозонами убедительно подсказали возможный ответ на загадку происхождения большинства интронов. Интронеры могут вызвать появление интронов в геномах в большом количестве, что может объяснить прерывистый характер их появления у различных эукариот. Загвоздка заключалась в том, что интронеры, как известно, существовали только в нескольких организмах.
«Кто-нибудь еще куда-нибудь смотрел?» — спросил он. Ланден Гозашти, который проводил исследования по эволюционной геномике в Санта-Круз, когда прочитал исследование водорослей 2016 года. Взгляд на научную литературу показал, что ни одна группа не опубликовала никаких данных об интронерах где-либо еще среди эукариот. Гозашти, который сейчас работает в Гарвардском университете, Корбетт-Детиг и их коллеги решили исправить это.
Скрытные, многочисленные захватчики
Команда систематически сканировала более 3,300 геномов всего разнообразия эукариот — от овец до секвой и инфузорий-протистов. Они использовали ряд вычислительных фильтров для идентификации потенциальных интронов, отыскивая интроны с очень похожими последовательностями и отбрасывая ложноположительные результаты. В итоге нашли тысячи интронов происходят от интронеров в 175 из этих геномов, около 5% от общего числа, от 48 различных видов.
Пять процентов могут показаться маленьким кусочком эукариотического пирога. Но по мере того, как мутации со временем накапливаются в интронерах, сходство последовательностей между копиями ухудшается до тех пор, пока уже невозможно сказать, что они произошли из одного и того же источника. Эволюционные линии многих видов, живущих сегодня, могли испытать потоки интронов, но любой приток, который произошел более чем несколько миллионов лет назад, будет незаметен. Таким образом, результат 5% намекает на то, что интронеры могут быть гораздо более распространенными.
Как геномные паразиты, интронеры, возможно, добились своего успеха благодаря скрытности. Хороший паразит не может привлечь к себе слишком много внимания. Если интронер нарушит активность гена, в который он встроился, он может нанести вред организму-хозяину, а естественный отбор может полностью удалить геномного паразита. Таким образом, эти элементы постоянно развиваются, чтобы быть «максимально нейтральными» в своем влиянии. Валентина Пеона, специалист по сравнительной геномике из Упсальского университета.
Гозашти, Корбетт-Детиг и их коллеги выяснили, насколько искусные интроны ускользают из поля зрения, когда оценивали эффективность сплайсинга интронеров, что отражает их способность избегать нарушения функции генов хозяина. «На самом деле интроны сплайсируются лучше, чем другие интроны», — сказал Гозашти. «Эти вещи стали действительно хороши в этом».
Водная связь
Работа Гозашти и его коллег доказала, что интронеры неравномерно распределены среди эукариот. Например, вероятность появления интронеров в геномах водных организмов более чем в шесть раз выше, чем в геномах наземных организмов. Более того, почти три четверти геномов водных видов, содержащих интронеры, содержат несколько семейств интронеров.
Корбетт-Детиг, Гозашти и их коллеги считают, что этот паттерн можно объяснить горизонтальным переносом генов, переносом генетической последовательности от одного вида к другому. Эти неортодоксальные переносы генов, как правило, происходят в водной среде или в случаях тесной межвидовой ассоциации, например, между хозяевами и паразитами. Сайма Шахид, биолог из Университета штата Оклахома.
Водная среда может поощрять горизонтальный перенос генов потому что водная среда может стать супом из нуклеиновых кислот, сбрасываемых бесчисленными видами. Одноклеточные организмы барахтаются в этом рагу, поэтому им легко поглощать чужеродную ДНК, которая может быть встроена в их собственную. Но даже гораздо более сложные многоклеточные виды откладывают яйца или оплодотворяют их в воде, создавая возможности для переноса ДНК в свои линии.
Введение
Клеман Жильбер, эволюционный геномист из Университета Париж-Сакле, считает, что склонность интронеров к водной среде является отголоском того, что его группа обнаружила в событиях горизонтального переноса генов. В 2020 году их работа выявила почти 1,000 различных горизонтальных переносов с участием транспозонов, которые произошли в более чем 300 геномах позвоночных. По словам Гилберта, подавляющее большинство этих переносов произошло у костистых рыб.
Если интроны попадают в организм хозяина главным образом за счет горизонтального переноса генов в водной среде, это может объяснить неравномерность больших приростов интронов у эукариот. По словам Корбетт-Детиг, у наземных организмов вряд ли будут такие же всплески интронов, поскольку горизонтальный перенос происходит среди них гораздо реже. Перенесенные интроны могут сохраняться в геномах в течение многих миллионов лет в качестве постоянных сувениров от жизни предков в море и рокового столкновения с ловким геномным паразитом.
Интроны, действующие как чужеродные, инвазивные элементы в геномах, также могут быть объяснением того, почему они так внезапно и стремительно вставляли интроны. Защитные механизмы, которые геном может использовать для подавления своего унаследованного бремени транспозонов, могут не работать с незнакомым генетическим элементом, поступающим путем горизонтального переноса.
«Теперь этот элемент может сходить с ума по всему геному», — сказал Гозашти. Даже если интронеры изначально вредны, исследователи предполагают, что селективное давление может вскоре приручить их, вырезав из РНК.
Хотя горизонтальный перенос генов и интронеры имеют общую связь с водной средой, результаты еще не показывают окончательно, откуда берутся интроны. Но открытие широкого влияния интронеров бросает вызов некоторым теориям о том, как эволюционировали геномы, особенно геномы эукариот.
Отголоски в хосте
Распространенность недавнего прироста интронов может служить противовесом некоторым представлениям об эволюции сложности генома. Одним из примеров является теория эволюции интронов, разработанная Майкл Линч Университета штата Аризона в 2002 году. Модели предполагают, что у видов с небольшими размножающимися популяциями естественный отбор может быть менее эффективным при удалении бесполезных генов. Линч предположил, что эти виды будут склонны накапливать в своих геномах груды нефункционального генетического мусора. Напротив, виды с очень большой размножающейся популяцией вообще не должны получать много интронов.
Но Гозашти, Корбетт-Детиг и их соавторы обнаружили обратное. Некоторые морские протисты с гигантскими размножающимися популяциями имели сотни или тысячи интронеров. Напротив, интронеры были редки у животных и отсутствовали у наземных растений — обе группы с гораздо меньшими размножающимися популяциями.
Эволюционная гонка вооружений между вторгшимися генетическими элементами и хозяином может сыграть свою роль в создании более сложного генома. По словам Гозашти, паразитические элементы находятся в «постоянном конфликте» с генетическими элементами, принадлежащими хозяину, потому что они конкурируют за геномное пространство. «Все эти движущиеся части постоянно заставляют друг друга развиваться», — сказал он.
Это поднимает вопрос о том, что увеличение интронов означало для функциональной биологии организмов, в которых они произошли.
Седрик Фешотт, молекулярный биолог из Корнельского университета, подозревает, что было бы интересно сравнить два близкородственных вида, только один из которых испытал рой интронов в недавней истории эволюции. Сравнение может помочь выявить, как приток интронов может способствовать появлению новых генов. «Потому что мы знаем, что введение интронов может также облегчить захват дополнительных экзонов — совершенно новый материал», — сказал он.
Точно так же Фешотт считает, что большое количество интронов может способствовать эволюции семейств генов, которые могут быстро меняться. Наполненные новыми интронами, эти гены могли бы кооптировать новую изменчивость, обеспечиваемую альтернативным сплайсингом.
Такие быстро эволюционирующие гены широко распространены в природе. Ядовитым видам, например, часто необходимо повторно смешивать сложные коктейли пептидов в своих ядах на генетическом уровне, чтобы адаптироваться к разным жертвам или хищникам. Способность иммунной системы генерировать бесконечно разнообразные молекулярные рецепторы также зависит от генов, способных быстро перестраиваться и рекомбинировать.
Однако Пеона предупреждает, что, хотя интронеры могут принести пользу организму, они также могут быть полностью нейтральными. Их следует считать «невиновными до тех пор, пока не будет доказана их вина в исполнении служебных обязанностей или в чем-либо другом».
«Одна из следующих задач — изучить метагеномные данные, чтобы попытаться найти случай, который действительно представляет собой четкий горизонтальный перенос с одними и теми же интронерами у двух разных видов», — сказал Корбетт-Детиг. Обнаружение этого фрагмента головоломки поможет раскрыть полную историю происхождения большинства интронов эукариот.
Ирина Архипова, молекулярный эволюционный генетик из Морской биологической лаборатории Чикагского университета, заинтересован в том, чтобы узнать больше о том, как интронеры распространяются по геному в таких больших масштабах. «Это просто не оставляет следов фермента, который был ответственен за этот массовый всплеск подвижности — это загадка», — сказала она. «Вы в основном должны поймать его в действии, пока он еще движется».
Для Гозашти открытие интронеров у столь широкого круга эукариот дает урок того, как подходить к фундаментальным вопросам о природе эукариотической жизни: мыслить широко. Исследования часто сосредотачиваются на части биоразнообразия, представленной животными и наземными растениями. Но чтобы понять важные модели геномной информации, лежащие в основе всей жизни, «нам нужно секвенировать больше эукариотического разнообразия, больше этих протистских линий, о которых мы ничего не знаем», — сказал он. «Если бы мы только изучали наземные растения и животных, мы бы никогда не нашли интронеры».
Примечание редактора: Гозашти — аспирант лаборатории хопи Хоекстра, член консультативного совета Quanta.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- Источник: https://www.quantamagazine.org/how-a-dna-parasite-may-have-fragmented-our-genes-20230330/
- :является
- ][п
- $UP
- 000
- 1
- 100
- 2016
- 2020
- a
- способность
- О нас
- отсутствующий
- Absolute
- изобилие
- выполнять
- Учетная запись
- скапливаться
- достигнутый
- через
- Действие (Act):
- активный
- деятельность
- на самом деле
- приспосабливать
- дополнительный
- консультативный
- консультативный совет
- Все
- альтернатива
- Несмотря на то, что
- среди
- и
- животные
- Другой
- ответ
- кто угодно
- откуда угодно
- появиться
- подхода
- соответствующий
- МЫ
- Аризона
- около
- прибывающий
- AS
- Объединение
- At
- внимание
- автор
- автоматически
- в основном
- BE
- , так как:
- становиться
- за
- Преимущества
- Лучшая
- между
- смещение
- большой
- биология
- доска
- ветви
- ширина
- Приведение
- широко
- строить
- бремя
- by
- Калифорния
- под названием
- CAN
- захватить
- случаев
- Привлекайте
- Вызывать
- Клетки
- Век
- определенный
- вызов
- изменение
- Чикаго
- Очистить
- понятнее
- Закрыть
- тесно
- Кодирование
- ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ
- коллеги
- коллективно
- как
- Общий
- сравнить
- сравнение
- конкурировать
- полностью
- комплекс
- сложность
- сложный
- связи
- считается
- постоянно
- содержать
- беспрестанно
- контраст
- способствовало
- может
- Создайте
- Создающий
- резки
- данным
- дебаты
- десятилетия
- Защита
- зависит
- Производный
- описано
- развитый
- различный
- непосредственно
- открытие
- отчетливый
- распределенный
- Разное
- Разнообразие
- Г-жа
- дело
- домен
- Dont
- драматично
- рисовать
- управлять
- вождение
- в течение
- каждый
- эхо
- затрат
- эффективный
- яйца
- элемент
- элементы
- в другом месте
- встроенный
- появление
- появление
- включен
- бесконечно
- Окружающая среда
- средах
- одинаково
- оборудованный
- По оценкам,
- Даже
- События
- многое
- , поскольку большинство сенаторов
- эволюция
- развивается
- эволюционировали
- развивается
- пример
- опытные
- Объяснять
- объяснены
- объяснение
- экспресс
- экстремальный
- содействовал
- семей
- семья
- Особенность
- несколько
- фигура
- фильтры
- в заключение
- Найдите
- обнаружение
- First
- Рыба
- Фокус
- Что касается
- иностранный
- формы
- найденный
- фрагментированный
- частота
- от
- полный
- функция
- функциональная
- фундаментальный
- Gain
- получение
- Доходы
- порождать
- порождающий
- геномика
- GitHub
- Go
- хорошо
- выпускник
- большой
- Зелёная
- группы
- Группы
- виновный
- Половина
- рука
- происходить
- произошло
- Жесткий
- вредный
- Гарвардский
- Гарвардский университет
- Есть
- тяжелый
- помощь
- подсказки
- история
- имеет
- горизонтальный
- кашель
- хостов
- Как
- How To
- Однако
- HTTP
- HTTPS
- огромный
- человек
- Сотни
- идеи
- идентифицированный
- определения
- Иммунная система
- важную
- in
- включенный
- Увеличивает
- повлиять
- приток
- информация
- первоначально
- пример
- вместо
- заинтересованный
- интересный
- вмешиваясь
- включать в себя
- IT
- ЕГО
- саму трезвость
- Основные
- Вид
- Знать
- знание
- известный
- лаборатория
- Земля
- большой
- больше
- Фамилия
- уход
- урок
- уровень
- ЖИЗНЬЮ
- легкий
- такое как
- Вероятно
- литература
- Длинное
- дольше
- посмотреть
- искать
- Большинство
- сделать
- многих
- массивный
- средний
- Участники
- Messenger
- может быть
- миллиона
- миллионы
- мобильность
- Модели
- молекулярный
- БОЛЕЕ
- Более того
- самых
- двигаться
- перемещение
- с разными
- Тайна
- натуральный
- природа
- почти
- Необходимость
- Нейтральные
- Новые
- следующий
- Ноябрь
- номера
- многочисленный
- произошло
- of
- предлагают
- Оклахома
- on
- ONE
- Возможности
- противоположность
- заказ
- Другое
- собственный
- бумага & картон
- Parallels
- особенно
- шаблон
- паттеранами
- своеобразный
- процент
- постоянный
- явление
- кусок
- штук
- растения
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- Точка
- популяции
- возможное
- потенциал
- представлены
- довольно
- в первую очередь
- процесс
- производит
- Продукция
- продвижении
- предложило
- Белкове продукты
- Белки
- доказанный
- доказанный
- обеспечивать
- опубликованный
- головоломка
- Квантовый журнал
- вопрос
- Вопросы
- быстро
- Гонки
- радар
- повышения
- ассортимент
- быстро
- РЕДКИЙ
- Читать
- причина
- последний
- признавать
- отражает
- Связанный
- остались
- Ремикс
- удаление
- удален
- удаление
- повторный
- представленный
- исследованиям
- исследователь
- исследователи
- ответственный
- результат
- в результате
- показывать
- РНК
- Сказал
- то же
- Санта-
- Шкала
- Весы
- научный
- Ученые
- МОРЕ
- сегментами
- выбор
- селективный
- старший
- Последовательность
- Серии
- служит
- набор
- несколько
- Поделиться
- овца
- должен
- показывать
- аналогичный
- сходство
- просто
- с
- одинарной
- сайте
- Сайтов
- ШЕСТЬ
- немного отличается
- скольжение
- небольшой
- меньше
- So
- некоторые
- Источник
- Space
- особый
- конкретный
- раскол
- расколы
- Распространение
- Область
- Stealth
- По-прежнему
- История
- сильный
- сильно
- "Студент"
- учился
- исследования
- Кабинет
- впоследствии
- успех
- такие
- внезапный
- система
- взять
- команда
- земной
- который
- Ассоциация
- информация
- их
- Их
- сами
- следовательно
- Эти
- вещи
- Думает
- тысячи
- Через
- по всему
- время
- раз
- тип
- в
- сегодня
- вместе
- тонна
- слишком
- Всего
- ПОЛНОСТЬЮ
- Прослеживать
- перевод
- переданы
- переводы
- огромный
- Оказалось
- типично
- вездесущий
- под
- лежащий в основе
- понимать
- незнакомый
- Университет
- Университет Калифорнии
- Чикагский университет
- использование
- различный
- Огромная
- предупреждает
- Вода
- Путь..
- способы
- WebP
- Что
- который
- в то время как
- КТО
- широкий
- Широкий диапазон
- широко
- широко распространена
- будете
- Работа
- работает
- бы
- лет
- Ты
- зефирнет