Вступ
Усі тварини, рослини, гриби та протисти — які разом складають сферу життя під назвою еукаріоти — мають геноми з особливою особливістю, яка спантеличила дослідників майже півстоліття: їхні гени фрагментовані.
В їхній ДНК інформація про те, як утворювати білки, не викладена в довгі когерентні рядки основ. Натомість гени розбиваються на сегменти з проміжними послідовностями або «інтронами», що розділяють екзони, які кодують шматочки білка. Коли еукаріоти експресують свої гени, їхні клітини повинні виділяти РНК з інтронів і зшивати РНК з екзонів, щоб реконструювати рецепти своїх білків.
Таємниця того, чому еукаріоти покладаються на цю барокову систему, поглибилася з відкриттям того, що різні гілки генеалогічного дерева еукаріот значно відрізняються за кількістю своїх інтронів. Гени дріжджів, наприклад, мають дуже мало інтронів, але гени наземних рослин мають багато. Інтрони складають майже 25% ДНК людини. Як виникла ця величезна таємнича зміна частоти інтронів, десятиліттями викликало дискусії серед вчених.
Однак відповіді нарешті можуть з’явитися в недавніх дослідженнях генетичних елементів, званих інтронерами, які деякі вчені вважають свого роду геномними паразитами. Ці фрагменти ДНК можуть проникати в геноми і розмножуватися там, залишаючи за собою велику кількість інтронів. У листопаді минулого року дослідники представили докази того, що інтронери робили це в різних еукаріотах протягом еволюції. Крім того, вони показали, що інтронери можуть пояснити, чому вибуховий приріст інтронів, здається, був особливо поширеним у водних формах життя.
Їхні висновки «можуть пояснити переважну більшість посилення інтронів». Расс Корбетт-Детіг, старший автор нової статті та дослідник еволюційної геноміки в Каліфорнійському університеті в Санта-Крус.
Головоломка еукаріотичних геномів
Через те, що інтрони вкраплюють їхню ДНК, якби гени еукаріотів транслювали безпосередньо в білки, отримані молекули, як правило, були б нефункціональним сміттям. З цієї причини всі еукаріотичні клітини оснащені спеціальними генетичними зсувами, які називаються сплайсосомами. Ці білкові комплекси розпізнають характерні послідовності, які фланкують інтронну РНК, і видаляють її з попередніх транскриптів РНК активних генів. Потім вони з’єднують кодуючі сегменти з екзонів, щоб отримати месенджерну РНК, яку можна транслювати в робочий білок.
(Деякі прокаріоти також мають інтрони, але вони мають способи роботи, які не включають сплайсосоми. Наприклад, деякі з їхніх інтронів «самосплайсуються» й автоматично видаляються з РНК.)
Чому природний відбір в еукаріотах віддавав перевагу інтронам, які потрібно було видалити сплайсосомами, невідомо. Але ключовим може бути те, що такі інтрони дозволяють альтернативний сплайсинг, явище, яке різко збільшує різноманітність продуктів, які можуть виникати з одного гена. Коли РНК інтрона вирізається, послідовності РНК екзона можуть бути з’єднані разом у новому порядку, щоб створити дещо інші білки, пояснив Корбетт-Детіг.
Незважаючи на вплив інтронів на біологію та генетичну складність еукаріотичних організмів, їх еволюційне походження залишається туманним. Після відкриття інтронів у 1977 році дослідники розробили численні теорії про те, звідки взялися ці інтрузивні послідовності. Було ідентифіковано кілька механізмів, які могли б створювати інтрони, і всі вони могли внести деякі інтрони в еукаріоти. Але важко сказати, який із них, якщо хтось може пояснити, звідки взялися більшість інтронів.
Більше того, таємниця походження інтронів лише поглиблюється у світлі надзвичайних варіацій того, де інтрони мають тенденцію з’являтися в еукаріотному дереві життя. Деякі лінії особливо важкі з ними, що вказує на раптові затоплення інтронами протягом їхньої еволюційної історії. Корбетт-Детіг сказав: «Коли ви досліджуєте дерево життя і дізнаєтеся, скільки інтронів знаходиться на кожній вершині дерева, «можна досить швидко зрозуміти, що повинні бути певні гілки, де абсолютна тонна інтронів розвинулась одночасно».
Одним із можливих пояснень цих вибухових вливань інтронів є незвичайний вид генетичного елемента, відомого як інтронер. Вперше описано в 2009 році в одноклітинних зелених водоростях Мікромонас, інтронери згодом з’явилися в геномах деяких інших водоростей, деяких видів грибів, крихітних морських організмів, які називаються динофлагеллятами, і простих безхребетних, які називаються оболочниками.
Відмінною рисою інтронерів є те, що вони створюють інтрони. Інтронери копіюють і вставляють себе в ділянки кодуючої ДНК, які пропонують відповідне місце сплайсингу. Потім вони рухаються далі, залишаючи позаду певну інтронну послідовність, оточену сайтами сплайсингу, які розщеплюють кодуючу ДНК на два екзони. Цей процес може повторюватися у великих масштабах у всьому геномі. У грибів, наприклад, інтронери, здається, спричиняють більшу частину приросту інтронів протягом принаймні останніх 100,000 XNUMX років.
Вступ
Як інтронери досягають цього, стало зрозуміліше в 2016 році, коли дослідники виявили, що інтронери у двох видах водоростей мають сильну схожість з ДНК-транспозонами, членами більшого сімейства генетичних елементів, які називаються переносними елементами або «стрибаючими генами». Транспозони також вставляють величезну кількість своїх копій у геноми.
Паралелі між інтронами та транспозонами вказують на можливу відповідь на таємницю походження більшості інтронів. Інтрони можуть спричинити вибух інтронів у геномах у великій кількості, що може пояснити переривчасту схему їх появи у різних еукаріотів. Заковика полягала в тому, що інтронери, як відомо, існують лише в кількох організмах.
«Хтось ще кудись шукав?» — запитав Ланден Гозашті, який займався дослідженнями еволюційної геноміки в Санта-Крус, коли прочитав дослідження водоростей 2016 року. Перегляд наукової літератури показав, що жодна група не опублікувала жодних даних про інтронерів в інших еукаріотах. Гозашті, який зараз працює в Гарвардському університеті, Корбетт-Детіг та їхні колеги вирішили це виправити.
Приховані, численні загарбники
Команда систематично просканувала понад 3,300 геномів у всьому розмаїтті еукаріот — від овець до секвой і інфузорій. Вони використовували серію обчислювальних фільтрів для ідентифікації потенційних інтронів, шукаючи інтрони з дуже схожими послідовностями та віддаляючи помилкові спрацьовування. Зрештою знайшли тисячі інтронів отримані з інтронерів у 175 з цих геномів, приблизно 5% від загальної кількості, від 48 різних видів.
П’ять відсотків можуть здатися невеликою часткою еукаріотичного пирога. Але оскільки мутації накопичуються в інтронах з часом, подібність послідовностей між копіями погіршується, доки стає неможливо сказати, що вони походять з одного джерела. Еволюційні лінії багатьох видів, які живуть сьогодні, могли зазнати потоку інтронів, але будь-який приплив, який стався більше кількох мільйонів років тому, був би непомітним. Отже, 5% результат натякає на те, що інтронери можуть бути набагато більш повсюдними.
Будучи геномними паразитами, інтронери, можливо, досягли свого успіху завдяки стелсу. Хороший паразит не може привернути до себе зайвої уваги. Якщо інтронер порушує активність гена, в який він вбудований, це може завдати шкоди організму господаря, а природний відбір може повністю видалити геномного паразита. Отже, ці елементи постійно розвиваються, щоб бути «наскільки можливо нейтральними» у своєму впливі Валентина Пеона, порівняльний геномік Упсальського університету.
Гозашті, Корбетт-Детіг та їхні колеги з’ясували, наскільки вправні інтронери прослизати поза радаром, коли вони оцінювали ефективність сплайсингу інтронерів, що відображає їхню здатність уникати порушення функції генів господаря. «Інтрони насправді сплайсуються краще, ніж інші інтрони», — сказав Гозашті. «Ці речі стали дуже хорошими».
Водний зв'язок
Робота Гозашті та його колег довела, що інтронери не розподіляються однаково між еукаріотами. Наприклад, інтронери більш ніж у шість разів частіше з’являються в геномах водних організмів, ніж у наземних. Крім того, майже три чверті геномів водних видів, які містять інтронери, містять кілька родин інтронерів.
Корбетт-Детіг, Гозашті та їхні колеги вважають, що цю закономірність можна пояснити горизонтальним переносом генів, тобто передачею генетичної послідовності від одного виду до іншого. Ці неортодоксальні передачі генів, як правило, відбуваються у водному середовищі або у випадках тісної міжвидової асоціації, наприклад між господарями та паразитами, пояснюється Сайма Шахід, біолог рослин в Університеті штату Оклахома.
Водне середовище може сприяти горизонтальному переносу генів тому що водне середовище може стати супом із нуклеїнових кислот, що виділяються незліченними видами. Одноклітинні організми пересуваються в цьому рагу, тому їм легко поглинати чужорідну ДНК, яка може бути включена в їх власну. Але навіть набагато складніші багатоклітинні види відкладають свої яйця або запліднюють їх у воді, створюючи можливості для перенесення ДНК у їхні лінії.
Вступ
Клеман Гілбер, еволюційний геномік з Університету Париж-Сакле, вважає, що водні упередження в інтронерах є відлунням того, що його група виявила в подіях горизонтального переносу генів. У 2020 році їхня робота виявила майже 1,000 різних горизонтальних переносів за участю транспозонів, які відбулися в понад 300 геномах хребетних. За словами Гілберта, переважна більшість цих пересадок відбулася в кісткових рибах.
Якщо інтронери потрапляють до хазяїв переважно через горизонтальні переноси генів у водному середовищі, це може пояснити нерегулярні закономірності великого збільшення інтронів в еукаріотах. Корбетт-Детіг сказав, що земні організми навряд чи матимуть однакові спалахи інтронів, оскільки горизонтальний перенос відбувається серед них набагато рідше. Перенесені інтрони можуть зберігатися в геномах протягом багатьох мільйонів років як постійні сувеніри з життя предків у морі та доленосного контакту зі спритним геномним паразитом.
Інтрони, які діють як чужорідні інвазивні елементи в геномах, також можуть бути поясненням того, чому вони вставляють інтрони так раптово та вибухово. Захисні механізми, які геном може використовувати для придушення свого успадкованого тягаря транспозонів, можуть не спрацювати на незнайомий генетичний елемент, що надходить шляхом горизонтального перенесення.
«Тепер цей елемент може збожеволіти по всьому геному», — сказав Гозашті. Навіть якщо інтронери спочатку шкідливі, дослідники припускають, що селективний тиск незабаром може приборкати їх, вирізавши з РНК.
Хоча горизонтальний перенос генів та інтронери мають спільний зв’язок із водним середовищем, результати ще не показують остаточно, що саме звідси походять інтронери. Але відкриття широкого впливу інтронерів справді кидає виклик деяким теоріям про те, як еволюціонували геноми, зокрема геноми еукаріотів.
Реверберації в хості
Поширеність нещодавнього збільшення інтронів може діяти як противага деяким ідеям про еволюцію геномної складності. Одним із прикладів є теорія еволюції інтронів, розроблена Майкл Лінч Університету штату Арізона в 2002 році. Моделі припускають, що у видів з невеликими гніздовими популяціями природний відбір може бути менш ефективним у видаленні некорисних генів. Лінч припустив, що ці види будуть прагнути накопичувати купи нефункціонального генетичного сміття у своїх геномах. Навпаки, види з дуже великою гніздовою популяцією взагалі не повинні отримувати багато інтронів.
Але Гозашті, Корбетт-Детіг та їхні співавтори виявили протилежне. Деякі морські протисти з гігантською гніздовою популяцією мали сотні чи тисячі інтронів. Навпаки, інтронери рідко зустрічалися у тварин і були відсутні в наземних рослинах — обидві групи з набагато меншими популяціями розмноження.
Еволюційна гонка озброєнь між вторгненням генетичних елементів і хазяїном може долучитися до створення більш складного геному. Паразитичні елементи знаходяться в «постійному конфлікті» з генетичними елементами, які належать хазяїну, пояснив Гозашті, тому що вони конкурують за геномний простір. «Усі ці рухомі частини постійно спонукають одна одну до розвитку», — сказав він.
Це піднімає питання про те, що означало збільшення інтронів для функціональної біології організмів, у яких вони відбулися.
Седрік Фешотт, молекулярний біолог з Корнельського університету, підозрює, що було б цікаво порівняти два тісно споріднених види, лише один з яких зазнав зграї інтронів у недавній історії еволюції. Порівняння може допомогти виявити, як приплив інтронів може сприяти появі нових генів. «Оскільки ми знаємо, що введення інтронів також може сприяти захопленню додаткових екзонів — такої абсолютно нової речі», — сказав він.
Подібним чином Фешотт вважає, що велика кількість інтронів може сприяти еволюції сімейств генів, які можуть швидко змінюватися. Наповнені новими інтронами, ці гени могли б кооптувати нову варіабельність, уможливлену альтернативним сплайсингом.
Такі гени, що швидко розвиваються, широко поширені в природі. Отруйні види, наприклад, часто потребують перемішування складних коктейлів пептидів у своїх отрутах на генетичному рівні, щоб адаптуватися до різних здобичі чи хижаків. Здатність імунної системи генерувати нескінченно різноманітні молекулярні рецептори також залежить від генів, які можуть швидко перебудовуватися та рекомбінувати.
Однак Пеона попереджає, що хоча інтронери можуть принести користь організму, вони також можуть бути абсолютно нейтральними. Їх слід вважати «невинними, доки не буде доведено, що вони виконують службові обов’язки чи щось інше».
«Одна з наступних речей — перегляд метагеномних даних, щоб спробувати знайти випадок, який справді є чітким горизонтальним переносом з абсолютно однаковими інтронерами у двох різних видів», — сказав Корбетт-Детіг. Знаходження цієї частини головоломки допомогло б конкретизувати повну історію про те, звідки взялися більшість інтронів еукаріотів.
Ірина Архипова, молекулярно-еволюційний генетик з морської біологічної лабораторії Чиказького університету, зацікавлений дізнатися більше про те, як інтронери поширюються геномом у таких великих масштабах. «Це просто не залишає слідів ферменту, який був відповідальним за цей величезний сплеск мобільності — це загадка», — сказала вона. «По суті, ви повинні зловити його на місці, поки він ще рухається».
Для Гозашті виявлення інтронів у такому широкому діапазоні еукаріот дає урок про те, як підходити до фундаментальних питань про природу еукаріотичного життя: мислити широко. Дослідження часто зосереджуються на фрагменті біорізноманіття, представленому тваринами та наземними рослинами. Але щоб зрозуміти важливі закономірності геномної інформації, що лежить в основі всього життя, «нам потрібно секвенувати більше еукаріотичного різноманіття, більше цих протистичних ліній, де ми нічого не знаємо про те, як вони еволюціонували», — сказав він. «Якби ми просто вивчали наземні рослини і тварин, ми б ніколи не знайшли інтронів».
Примітка редактора: Гозашті є аспірантом лабораторії Хопі Хоекстри, який є членом консультативної ради Quanta.
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
- джерело: https://www.quantamagazine.org/how-a-dna-parasite-may-have-fragmented-our-genes-20230330/
- :є
- ][стор
- $UP
- 000
- 1
- 100
- 2016
- 2020
- a
- здатність
- МЕНЮ
- відсутнім
- абсолют
- достаток
- виконувати
- рахунки
- Накопичуватися
- досягнутий
- через
- Діяти
- активний
- діяльність
- насправді
- пристосовувати
- Додатковий
- консультативний
- Консультативна рада
- ВСІ
- альтернатива
- хоча
- серед
- та
- тварини
- Інший
- відповідь
- будь
- де-небудь
- з'являтися
- підхід
- відповідний
- ЕСТЬ
- Арізона
- навколо
- прибувають
- AS
- Асоціація
- At
- увагу
- автор
- автоматично
- В основному
- BE
- оскільки
- ставати
- за
- Переваги
- Краще
- між
- зміщення
- Великий
- біологія
- рада
- гілки
- широта
- Приведення
- широко
- будувати
- тягар
- by
- Каліфорнія
- званий
- CAN
- захоплення
- випадок
- Залучайте
- Викликати
- Клітини
- Століття
- певний
- виклик
- зміна
- Чикаго
- ясно
- ясніше
- близько
- тісно
- Кодування
- КОГЕРЕНТНИЙ
- колеги
- колективно
- Приходити
- загальний
- порівняти
- порівняння
- конкурувати
- повністю
- комплекс
- складність
- складний
- зв'язку
- вважається
- постійно
- містити
- безперестанку
- контрастність
- внесок
- може
- створювати
- створення
- різання
- дані
- дебати
- десятиліття
- оборони
- залежить
- Отриманий
- описаний
- розвиненою
- різний
- безпосередньо
- відкриття
- чіткий
- розподілений
- Різне
- різноманітність
- ДНК
- справи
- домен
- Не знаю
- різко
- малювати
- управляти
- водіння
- під час
- кожен
- нудьгувати
- ефективність
- ефективний
- Яйця
- елемент
- елементи
- в іншому місці
- вбудований
- поява
- з'являються
- включений
- нескінченно
- Навколишнє середовище
- середовищах
- однаково
- обладнаний
- оцінка
- Навіть
- Події
- все
- докази
- еволюція
- еволюціонувати
- еволюціонували
- еволюціонує
- приклад
- досвідчений
- Пояснювати
- пояснені
- пояснення
- експрес
- екстремальний
- фасилітувати
- сімей
- сім'я
- особливість
- кілька
- Рисунок
- Фільтри
- в кінці кінців
- знайти
- виявлення
- Перший
- риба
- Сфокусувати
- для
- іноземні
- форми
- знайдений
- фрагментарно
- частота
- від
- Повний
- функція
- функціональний
- фундаментальний
- Отримувати
- набирає
- прибуток
- породжувати
- породжує
- геномика
- GitHub
- Go
- добре
- випускник
- великий
- зелений
- Group
- Групи
- винний
- Половина
- рука
- траплятися
- сталося
- Жорсткий
- шкідливий
- Гарвард
- Гарвардський університет
- Мати
- важкий
- допомога
- підказки
- історія
- тримає
- Горизонтальний
- господар
- хостів
- Як
- How To
- Однак
- HTTP
- HTTPS
- величезний
- людина
- Сотні
- ідеї
- ідентифікований
- ідентифікувати
- Імунна система
- важливо
- in
- Зареєстрований
- Збільшує
- вплив
- приплив
- інформація
- спочатку
- екземпляр
- замість
- зацікавлений
- цікавий
- втручаючись
- залучати
- IT
- ЙОГО
- сам
- ключ
- Дитина
- Знати
- Знання
- відомий
- лабораторія
- земля
- великий
- більше
- останній
- догляд
- урок
- рівень
- життя
- світло
- як
- Ймовірно
- літератури
- Довго
- довше
- подивитися
- шукати
- Більшість
- зробити
- багато
- масивний
- середа
- члени
- Messenger
- може бути
- мільйона
- мільйони
- мобільність
- Моделі
- молекулярний
- більше
- Більше того
- найбільш
- рухатися
- переміщення
- множинний
- Таємниця
- Природний
- природа
- майже
- Необхідність
- Нейтральний
- Нові
- наступний
- Листопад
- номера
- численний
- сталося
- of
- пропонувати
- Оклахома
- on
- ONE
- Можливості
- протилежний
- порядок
- Інше
- власний
- Папір
- Паралелі
- особливо
- Викрійки
- моделі
- своєрідний
- відсотків
- постійний
- явище
- частина
- частин
- Рослини
- plato
- Інформація про дані Платона
- PlatoData
- точка
- популяції
- це можливо
- потенціал
- представлений
- досить
- в першу чергу
- процес
- виробляти
- Продукти
- сприяти
- запропонований
- Білок
- Білки
- доведений
- доведений
- забезпечувати
- опублікований
- головоломка
- Квантамагазин
- питання
- питань
- швидко
- Гонки
- радар
- піднімається
- діапазон
- швидко
- РІДНІ
- Читати
- причина
- останній
- визнавати
- Відображає
- пов'язаний
- залишився
- Ремікс
- видаляти
- Вилучено
- видалення
- повторний
- представлений
- дослідження
- дослідник
- Дослідники
- відповідальний
- результат
- в результаті
- показувати
- РНК
- Зазначений
- то ж
- Санта
- шкала
- ваги
- науковий
- Вчені
- SEA
- сегменти
- вибір
- селективний
- старший
- Послідовність
- Серія
- служить
- комплект
- кілька
- Поділитись
- вівця
- Повинен
- Показувати
- аналогічний
- схожість
- простий
- з
- один
- сайт
- сайти
- SIX
- трохи відрізняється
- ковзання
- невеликий
- менше
- So
- деякі
- Source
- Простір
- спеціальний
- конкретний
- розкол
- Розколи
- Поширення
- стан
- Хитрість
- Як і раніше
- Історія
- сильний
- сильно
- студент
- навчався
- Дослідження
- Вивчення
- Згодом
- успіх
- такі
- раптовий
- система
- Приймати
- команда
- наземний
- Що
- Команда
- інформація
- їх
- Їх
- самі
- отже
- Ці
- речі
- Думає
- тисячі
- через
- по всьому
- час
- times
- чайові
- до
- сьогодні
- разом
- Тонна
- занадто
- Усього:
- ТОТАЛЬНО
- Трасування
- переклад
- передані
- переклади
- величезний
- Опинився
- типово
- повсюдний
- при
- що лежить в основі
- розуміти
- незнайомий
- університет
- Університет Каліфорнії
- Чиказький університет
- використання
- різний
- величезний
- Попереджає
- вода
- шлях..
- способи
- webp
- Що
- який
- в той час як
- ВООЗ
- широкий
- Широкий діапазон
- широко
- широко поширений
- волі
- з
- Work
- робочий
- б
- років
- Ти
- зефірнет