Петли ДНК позволили древней жизни стать сложной

Новые исследования показывают, что физическое сворачивание генома для управления генами, расположенными далеко, могло стать критическим поворотным моментом в истории жизни на Земле. Сохранить статью Прочитать позже

Для биологов-эволюционистов главное отличие морских существ, называемых книдариями и гребневиками, заключается не в необычном написании их названий и не в их, как правило, красивой внешности, а в том, что они относятся к древнейшим из известных групп сложных животных. Книдарии (буква «c» не произносится) включают медуз, кораллов и актиний, а их красочные усики и листья украшают океаны по всему миру. Гребневики (ещё одна непроизносимая «c»), также известные как гребневики, в основном полупрозрачны и студенисты и скользят в морской среде подобно эктоплазме.

Оба типа морских беспозвоночных, возникшие, как считается, примерно 740–520 миллионов лет назад, были одними из первых многоклеточных животных, у которых эволюционировало несколько различных типов тканей. Их появление значительно усложнило животный мир: по размерам и строению они больше похожи на нас, чем на одноклеточных организмов, существовавших до них. Таким образом, эволюционный дебют книдарий и гребневиков стал одним из важнейших этапов на пути от первобытной слизи к человеку.

Что сделало это возможным?

Примечательно, что многие гены, выявленные у этих океанических существ, встречаются и у одноклеточных видов, предшествовавших им. Не фундаментально иные гены положили начало эволюции сложных животных во время кембрийского периода (или до него), начавшегося 540 миллионов лет назад, а нечто иное. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи, похоже, выяснили, что именно.

Результаты основаны на идее о том, что дело не в наличии генов, а в их структуре и использовании, то есть в том, какие гены экспрессируются, преобразуются в функциональные белки и как они регулируются. «В начале развития животных не наблюдалось столь значительных генных инноваций», — сказал Арнау Себе-Педрос из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне, возглавлявший исследование. Вместо этого «важной особенностью была способность модульно регулировать эти гены в различных комбинациях в пространстве и времени».

Себе-Педрос и его коллеги полагают, что эти новые паттерны регуляции и экспрессии генов стали возможны у древнейших сложных животных благодаря довольно странному приёму, который сейчас используют все многоклеточные существа. Он заключается в вытягивании петель ДНК из запутанной структуры хромосом и придании им топологически сложных изгибов, чтобы одна часть хромосомы соприкасалась с другими, удалёнными от неё. Зарождение сложности животных, возможно, в буквальном смысле, было петлеобразным.

Стремление к специализации

Часто подразумевается, что ключевым моментом в происхождении сложных животных, таких как мы, известных как метазоа, был переход от одноклеточного к многоклеточному образу жизни. Но заставить клетки работать сообща может быть не так уж сложно. Некоторые одноклеточные слизевики собираются в коллективные скопления в периоды стресса, и даже многие бактерии объединяются в рои, например, образуя устойчивые колонии, называемые биоплёнками. Считается, что переход от одноклеточного к многоклеточному мог происходить многократно в ходе эволюции.

По-настоящему важным событием стало то, что клетки приобрели способность дифференцироваться и специализироваться. Для образования различных тканей многоклеточных животных одни клетки должны стать мышечными, другие – кожными, третьи – нервными и так далее. Стрекающие, казалось бы, далеки от билатерально-симметричных позвоночных, таких как мы, но у них всё же есть отдельные типы клеток, хотя и не так много, как у нас. (Недавние исследования с использованием метода секвенирования РНК отдельных клеток показали, что у медуз и кораллов существует больше различных типов клеток, чем мы предполагали.)

За некоторыми исключениями, все клетки в данном организме имеют один и тот же геном: один и тот же набор ДНК в каждой клетке. Но клетки в разных тканях используют разные наборы генов для обеспечения своих функций и свойств, таких как форма и эластичность. «Чтобы развить настоящую многоклеточность со стабильными, дифференцированными типами клеток, задача состояла в том, чтобы дифференцированно активировать или подавлять существующий набор генов в разных клетках», — сказала коллега Себе-Педрос по CRG Яна Ким.

«На самом деле, чтобы придать клетке определённую специализацию, не требуется так уж много изменений», — сказала клеточный биолог Тесса Попей из Института Солка в Ла-Хойе, Калифорния, не принимавшая участия в новом исследовании. Важно «экспрессировать нужные гены в нужном месте и в нужное время».

«Считается, что более сложные организмы имеют больше регуляторных последовательностей в своём геноме», — сказала Марике Оуделаар, эксперт по регуляции генов из Института междисциплинарных наук Общества Макса Планка в Гёттингене (Германия), которая также не принимала участия в исследовании. Регуляторные последовательности — это фрагменты ДНК, которые не кодируют гены, но контролируют их экспрессию. Помимо того, что таких регуляторных последовательностей больше, сложные организмы, как правило, имеют гораздо более крупные геномы, и сложно понять, как организованы эти регуляторные области.

Регуляция генов жизненно важна для всех организмов; даже бактерии не хотят, чтобы все их гены были активны постоянно. Обычно у одноклеточных организмов набор белков, называемых факторами транскрипции (ФТ), связывается с ДНК непосредственно «выше» гена, в участке, называемом промотором, и активирует или подавляет транскрипцию этого гена в соответствующую мРНК, что является первым шагом в трансляции кода гена в белок.

Но у многоклеточных, многотканевых организмов регуляция генов — более сложный процесс. В каждом типе клеток определённые гены должны работать вместе как модуль, и один и тот же ген может быть вовлечён в работу нескольких модулей в разных типах клеток. Возьмём, к примеру, ген, кодирующий белок тубулин. Этот белок необходим для формирования ресничек — волосковидных выростов, с помощью которых клетки двигаются, — а также для сборки митотического веретена, организующего хромосомы во время деления клетки, и для транспорта нейромедиаторов в нейронах.

«Для экспрессии во всех этих типах клеток гену тубулина потребуется либо уникальный ТФ для каждой клетки, либо определённая комбинация ТФ», — сказал Ким. Первый вариант приведёт к появлению множества специализированных ТФ для каждого гена в каждом типе клеток. ТФ многоклеточных животных сами по себе менее специализированы, но могут действовать парами или группами, то есть комбинаторно, как модуль. Таким образом, множество различных результатов в разных типах клеток может быть получено всего из нескольких компонентов, подобно тому, как наши глаза могут воспринимать всю гамму цветов, используя комбинации всего трёх типов колбочек, чувствительных к длине волны.

Однако есть и другая проблема: как разместить все эти транскрипционные факторы (ТФ) рядом с генами, которые они регулируют. «Эти ТФ должны связываться с геном, чтобы регулировать его», — сказал Ким. Но место связывания ТФ — промотор — ограничено. «Поэтому ген может участвовать лишь в ограниченном количестве модулей, если регулируется только проксимальным участком», — сказал Ким.

Решение заключается в том, чтобы включить более удалённые участки хромосомы в регуляторный аппарат. Последовательности ДНК, которые взаимодействуют с промоторами для удалённой регуляции генов, называются энхансерами и известны уже несколько десятилетий. Поначалу они вызывали недоумение: зачем размещать регуляторную единицу так далеко от гена, который она регулирует (в некоторых случаях на расстоянии сотен тысяч пар оснований ДНК)? «Они предоставляют дополнительные места для транскрипционных факторов (ТФ), позволяя создавать более сложный ТФ-код», — сказал Ким. «Эта гибкость значительно расширяет регуляторный потенциал генома. Энхансеры позволяют повторно использовать один и тот же ген во многих контекстах, способствуя разнообразию типов клеток и функциональной сложности без увеличения числа генов».

Энхансеры делают возможной более сложную регуляцию генов, но, по-видимому, они создают другую проблему: как участок, расположенный далеко от гена, может как-то на него влиять? Ответ заключается в том, что у клеток есть способы сократить расстояние и привести энхансер в контакт с промотором и последовательностью гена, которую он дополняет. Легко представить себе последовательность ДНК, вытянутую линейно, но двойная спираль намотана вокруг дискообразных белковых единиц, называемых гистонами, образуя трёхмерную массу, называемую хроматином. Существуют способы приблизить дистальные участки хромосомы — если энхансер можно вытащить из массы хроматина и приблизить к промотору и гену, образовав петлю.

Общую структуру хромосомы можно разделить сначала на крупные участки, затем на более специализированные компартменты, а затем на топологически связанные домены, известные как ТАДы (TAD). Эти ТАДы часто рассматриваются как функциональные или регуляторные «окрестности», объединяющие связанные последовательности ДНК. Петли — это более мелкие структуры внутри них, которые выполняют более тонкую работу по объединению отдельных частей последовательности.

Но петли образуются не просто в результате случайных флуктуаций формы хроматина; их создание организовано и требует энергии. У продвинутых многоклеточных животных, таких как мы, хроматиновая петля ограничена у основания кольцеобразным белком когезином, который действует подобно узлу лассо. Хроматиновая нить может проходить через кольцо, пока не встретится с белком CTCF, связанным с ДНК и действующим как стопор. Короче говоря, дистальная регуляция посредством хроматиновых петель — сложный и дорогостоящий процесс, и мы можем только предполагать, что преимущества, которые она предоставляет для новых регуляторных возможностей, стоили затраченных усилий. Например, она может значительно повысить потенциал комбинаторной сложности. Размещая энхансеры в разных частях хромосомы, петли могут не только позволить одному энхансеру регулировать более одного гена, но и позволить гену регулироваться более чем одним энхансером.

В петле

Себе-Педрос, Ким и их коллеги обнаружили, что образование петель хроматина, по-видимому, стало важным шагом в эволюции многоклеточных организмов, отличающим книдарий и гребневиков, а также губок и плакозоев, которые также были включены в исследование, от их ближайших одноклеточных родственников, живущих сегодня. Последние представляют собой простых эукариот с аналогичными сложными названиями: ихтиоспоридии (которые могут паразитировать на рыбах и других морских животных), филастерии (амебоподобные организмы со сложным жизненным циклом, включающим многоклеточную агрегацию) и хоанофлагелляты (которые умеют плавать и обычно считаются ближайшими ныне живущими родственниками животных).

Команда использовала метод, представленный 10 лет назад под названием Micro-C, чтобы выявить, какие части хроматина физически сближены друг с другом. Метод включает в себя химическое связывание близких областей хроматина, а затем разрезание хроматина и наблюдение за тем, какие последовательности во фрагментах связаны друг с другом. Результатом является карта близости хроматина по всему геному, которая кодирует трехмерную организацию генома. Подобные методы существуют уже некоторое время, но Micro-C использует фермент, который может разрезать ДНК более мелко, чем раньше. «Micro-C стал для нас переломным моментом, потому что мы имеем дело с видами с небольшими геномами», — сказал Себе-Педрос, поэтому крайне важно иметь возможность разделить его на множество крошечных фрагментов.

Исследователи обнаружили, что книдарии, гребневики и плакозои (простые плоские животные, состоящие всего из нескольких типов клеток) обладают более сложной архитектурой генома, чем одноклеточные животные, включая хроматиновые петли, объединяющие промоторы и энхансеры. Даже небольшие геномы, такие как геномы гребневиков, могут содержать тысячи таких петель, в то время как у одноклеточных организмов петли отсутствуют. Они также наблюдали, как эти петли объединяются в структуры, подобные TAD. Эти механизмы тонкой настройки и модульной экспрессии генов, по-видимому, необходимы для более сложного строения тела и специализации клеток и являются ключевым аспектом работы наших геномов.

Таким образом, по-видимому, эти регуляторные инновации могли позволить многим видам многоклеточных существ возникнуть из набора генов, которые, по всей видимости, не так уж сильно отличались от генов их эволюционных предков.

«Предположение о том, что хроматиновые петли и дистальные регуляторные элементы способствовали специализации клеток у многоклеточных организмов, весьма обосновано», — сказал Попей. «Это подтверждается другими исследованиями млекопитающих, которые предполагают, что хроматиновые петли, особенно между энхансерами и промоторами, важны для экспрессии определённых генов клеточной идентичности».

Правила регулирования

 Пока неясно, как книдарии и гребневики создают хроматиновые петли, добавляя этот дополнительный уровень регуляторной сложности к регуляции генов, специфичной для каждого типа клеток. Вероятно, они используют когезиновые кольца, как и наши клетки, но у них нет белков CTCF, контролирующих начало и конец петель. Себе-Педрос полагает, что другие белки того же семейства могут выполнять ту же функцию.

Они также не знают точно, какую роль энхансеры играли у ранних метазоа. Некоторые исследователи полагают, что энхансеры могут кодировать молекулы РНК, которые транскрибируются и взаимодействуют с другими молекулами в регуляторном «комитете», определяющем активацию генов, — точно так же, как это происходит у позвоночных, таких как мы. Однако Себе-Педрос и его коллеги предполагают, что энхансеры у книдарий и гребневиков — это, по сути, просто места для дополнительных транскрипционных факторов, и что более чёткая изоляция хроматиновых доменов для модуляризации активности генов появилась позже, возможно, с эволюцией билатеральных животных.

«Я думаю, что это очень интересная гипотеза», — сказала Уделаар. Но она предупредила, что «хотя на данный момент нет никаких доказательств, опровергающих её, пока нет и конкретных доказательств её в пользу, кроме корреляций [между петлеобразованием и сложностью организмов]».

Амос Танай, эксперт по геномной регуляции из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, согласен с этим. «Идея о том, что дальнодействующая регуляция способствует развитию сложной многоклеточности, весьма разумна, но мне нужно увидеть больше результатов на большем количестве видов, чтобы удостовериться в этой гипотезе», — сказал он.

По словам Иньяки Руис-Трилло, эволюционного биолога из Университета Помпеу Фабра в Барселоне, серьёзная проблема заключается в том, что мы не знаем, насколько ранние книдарии и гребневики похожи на современные виды. «Эти линии эволюционировали миллионы лет, поэтому их нельзя рассматривать как ориентир», — сказал он.

В любом случае, никто не считает, что хроматиновые петли были единственным фактором, способствовавшим возникновению сложных животных. Например, Себе-Педрос отметил, что существовали и некоторые генетические новшества.

И геномы этих организмов значительно увеличились по сравнению с одноклеточными, даже если число генов, кодирующих белки, не увеличилось. По его словам, эволюционные изменения, вероятно, были вызваны сочетанием факторов, и «очень сложно определить, какой из них послужил толчком к другому».

По словам Таная, первым шагом является выяснение логических правил или грамматики, управляющих регуляторными комбинациями. Циклизация действительно работает только тогда, когда транскрипционные факторы отказываются от специфичности эффекта, которую они демонстрируют у бактерий, и принимают «размытость» взаимодействия, которая позволяет им работать комбинаторно. Неизвестно, произошло ли это до возникновения циклизации. «Это действительно интересный вопрос, но у нас нет на него ответа», — сказал Себе-Педрос. Он говорит, что он и его коллеги надеются вывести молекулярные правила регуляции у этих ранних многоклеточных животных и их одноклеточных предшественников. «Будет интересно сравнить эту регуляторную логику на протяжении эволюции животных», — сказал он.

И если хроматиновые петли действительно были ключевым нововведением, вызвавшим рост сложности животных, то возникает загадочное следствие: эта сложность, по-видимому, была, в некотором смысле, скрытой в геномах их одноклеточных предков — ещё до того, как эволюция, так сказать, задумалась о многоклеточных. Совершенно не очевидно, почему это должно было быть так; у эволюции нет универсального направления, нет предвидения. «Для меня это увлекательный вопрос», — сказал Руис-Трилло.

И если пойти ещё дальше: может ли очередной всплеск регуляторных изменений, используя существующие гены, привести к ещё одному изменению в том, какими могут быть живые организмы? Ведь, как сказал Танай, «эволюция всегда полна сюрпризов».

Источник: www.quantamagazine.org