Вы знали что ДНК умеет прыгать?

Все наше биоразнообразие, возможно, обязано прыгающей ДНК - транспозонам. Эти прыгуны могут сами перемещаться из одного гена в другой, из одной хромосомы с генами в другую. И их можно найти во всех живых организмах. Долгое время ученых удивлял тот факт, что наши гены составляют менее 2 % нашей ДНК. Что делают остальные 98% ДНК? Поначалу некоторые ученые считали их бесполезным хламом. Но как оказалось, часть является этими самыми прыгунами. Они были открыты Барбарой Макклинток в 1940-х годах, до открытия строения ДНК. В то время научное сообщество скептически отнеслось к ее идеям, поскольку многие ученые считали, что части ДНК не могут перемещаться из одного положения в другое. Однако, спустя десятилетия ее открытие было подтверждено.

Существует несколько типов транспозонов: первый (I) и второй (II). Прыгуны класса I используют процесс, называемый «копирование и вставка», для изменения положения в геноме. Это означает, что они создают свою копию и вставляют ее в новое место, в результате чего в двух местах образуются два одинаковых транспозона. Транспозоны класса II используют механизм «вырезать и вставить»: они вырезают себя из своего исходного положения и вставляют в новое место. В этом случае количество копий транспозона не увеличивается.

Прыгуны второго класса умеют кодировать белок-фермент транспозазу, который действует как молекулярные ножницы. Они вырезают транспозон из его первоначального местоположения. После вырезания транспозаза распознает определенную последовательность ДНК и вставляет туда вырезанного прыгуна. Затем восстановительная машина клетки запечатывает ДНК, в которую был вставлен транспозон, вшивает прыгуна в ДНК. В случае прыгуна класса I другие белки клетки помогают создавать копии.

Естественно, такие прыжки не остаются без последствий для организма, будь то бактерия, растение или человек. Перемещаясь в новое место, транспозоны могут соединять вместе сегменты из отдельных частей генома. Перемещение и слияние генов может изменить инструкции, указывающие организму, как работать. Иногда эти изменения приводят к появлению новых признаков, которые делают особей непохожими друг на друга, увеличивая биоразнообразие. Например, яблоки бывают разного вкуса, верно? Некоторые из них сладкие, а некоторые - кислые. Гены яблока - это как маленькие рецепты, которые подсказывают ему, каким быть - сладким или кислым. Транспозоны похожи на хитрых поваров, которые могут изменить рецепт - они могут сделать сладкое яблоко кислым или кислое - более сладким. 

Другой пример - подсолнухи. Гены подсолнечника определяют, каким должен быть рост растения. Транспозоны могут проникать в эти инструкции и изменять их, так что подсолнух, который должен был быть коротким, в итоге вырастает очень высоким! Леопардовые пятна - другой пример. Транспозоны иногда могут вклиниваться в гены этих пятен и создавать новый рисунок. Прыгуны могут изменять цвет меха мышей, собак, волков, тигровых и змеиных шкур. У насекомых может меняться цвет глаз, а куры могут нести яйца с разным цветом скорлупы. Подобное может происходить и с рыбами - транспозон может привести к тому, что рыба станет альбиносом, то есть совершенно бесцветной.

Когда транспозоны перемещаются внутри гена, это приводит к изменению его работы. Одним знаменитым примером работы транспозонов стал окрас мотыльков. До промышленной революции деревья и мотыльки были белыми. После сажа перекрасила все в черный. Белые мотыльки были видны на черных деревьях, но транспозон, выпрыгнув в ген окраски, способствовал появлению большего количества темного цвета. 

Изучая наличие и типы прыгунов в геномах различных организмов, ученые могут понять, как виды связаны друг с другом - даже вымершие организмы, найденные в музеях. Естественно ученые научились использовать прыгунов для лечения некоторых генетических заболеваний, заменяя или исправляя неработающие гены. Транспозоны доставляют работающую копию гена в определенные клетки организма.

Как и когда транспозоны решают проснуться и начать прыгать? Ученые на сто процентов не знают, но известно, что транспозоны могут начать прыгать в стрессовых ситуациях. Ведь в дикой природе стресс возникает когда речь идет о жизни или смерти. Например, у риса есть ген, отвечающий за попадание кадмия внутрь клеток. Когда рис растет на загрязненной кадмием земле, рис выключает этот ген, вставляя туда транспозон. Это уменьшает количество кадмия, поглощаемого растениями, и помогает растению терпеть присутствие токсичного металла.

Транспозоны могут перескакивать с одного организма на другой! Одной из причин, почему бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам, являются транспозоны. Иногда транспозон может прихватить с собой соседствующие гены. Транспосон с геном может попасть в окружающую среду, если бактерия, например, погибнет, или же если бактерия через мостик - пилли передаст этот транспозон с геном в другую. Вирусы бактерий тоже могут переносить транспозоны от одной бактерии к другой, и вместе с ней устойчивый к антибиотику ген.

Прыгуны иногда могут служить хранителями генома, сохраняя его стабильность. Например, у плодовых мушек транспозоны могут образовывать новые копии на концах ДНК молекул, защищая тем самым эту ДНК от укорачивания и разрушения, разрушаясь взамен кодирующей ДНК. 

Источник:

Šatović-Vukšić E and Plohl M (2024) The Secret World of “Jumping” DNA. Front. Young Minds. 12:1279209. doi: 10.3389/frym.2024.1279209

Текст: #Дикарева_inbioreactor