У низших животных обнаружены системы управления генами и транспозонами при помощи малых РНК
|
У губки и актинии обнаружены два класса малых регуляторных РНК, которые до сих пор были известны только у высших (двусторонне-симметричных) животных: миРНК для регуляции работы собственных генов и пиРНК для контроля над мобильными генетическими элементами (транспозонами). Открытие показало, что сложные системы управления работой генома при помощи малых РНК характерны для всего животного царства. Эти системы могли сыграть важную роль в прогрессивной эволюции животных.
Механизм РНК-интерференции (см. также: RNA interference) появился уже у первых эукариот, а отдельные его элементы (в частности, белки семейства Argonaute) развились еще раньше — у прокариот (архей и, возможно, бактерий). Первичной функцией РНК-интерференции является защита клетки от геномных паразитов — вирусов и мобильных генетических элементов (транспозонов).
В своем простейшем виде механизм РНК-интерференции работает следующим образом. Специальный белок Dicer, обнаружив в клетке двухцепочечную молекулу РНК, режет ее на маленькие кусочки. Двухцепочечные молекулы РНК нехарактерны для нормальных клеток, но они являются обязательным этапом жизненного цикла многих (впрочем, далеко не всех) геномных паразитов. Получившиеся маленькие кусочки двухцепочечной РНК «расплетаются» на отдельные цепи. Затем эти одноцепочечные фрагменты «вражеской» РНК (на этом этапе они называются siRNA — small interference RNA) присоединяются к белкам семейства Argonaute.
Получившийся комплекс, состоящий из белка Argonaute и siRNA, называется RISC (RNA-induced silencing complex). Комплекс RISC способен находить в клетке молекулы ДНК и РНК (в том числе и одноцепочечные), содержащие такую же последовательность нуклеотидов, как в молекуле siRNA. Найдя такую молекулу, RISC присоединяется к ней и либо уничтожает ее, либо иным способом инактивирует (тут возможно несколько вариантов). Таким образом, короткие обрезки чужеродной двухцепочечной РНК служат для клетки «образцом», на основе которого ведется широкомасштабный поиск и обезвреживание геномного паразита не только на двухцепочечной, но и на одноцепочечной стадии его жизненного цикла. В том числе — на стадии одноцепочечной матричной РНК, которая служит основой для синтеза белка.
На основе древнего механизма РНК-интерференции в дальнейшем развились иные, более специализированные системы управления работой генов при помощи малых РНК. У двусторонне-симметричных животных, таких как млекопитающие, насекомые и круглые черви, известны две такие системы, основанные на двух классах малых регуляторных РНК — миРНК (MicroRNA) и пиРНК (Piwi-interacting RNA). Главное отличие этих систем от «обычной» РНК-интерференции состоит в том, что малые регуляторные РНК, участвующие в их работе, не производятся из чужеродных двухцепочечных молекул РНК, а изначально закодированы в геноме организма-хозяина.
Гены миРНК найдены в геномах двусторонне-симметричных животных, а также высших растений и некоторых водорослей. Следует уточнить, что эти гены кодируют не сами миРНК, а более крупные молекулы–предшественники. Считанная с такого гена длинная молекула РНК сама собой сворачивается в двойную спираль, потому что в ней есть палиндромные (зеркальные) последовательности нуклеотидов, которые «склеиваются» друг с другом по принципу комплементарности. Белок Dicer вырезает из этой двухцепочечной молекулы РНК небольшой кусочек — собственно миРНК, которая затем присоединяется к белку семейства Argonaute.
пиРНК служат для подавления активности транспозонов, то есть делают примерно то же, что и «обычная» система РНК-интерференции. С той разницей, что пиРНК при помощи белков Piwi могут обезвреживать и те мобильные генетические элементы, в жизненном цикле которых нет стадии двухцепочечной РНК (см.: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007).
миРНК используются совсем в других целях — они регулируют активность собственных генов клетки. Это яркий пример смены функции: система, изначально служившая для инактивации чужеродных РНК, была модифицирована для выполнения новой задачи, очень похожей «технически» (на молекулярном уровне), но совершенно другой по биологическому смыслу и конечному результату. По-видимому, разнообразные миРНК в комплексе со специализированными белками (такими как Argonaute) представляют собой одну из важнейших систем регуляции работы генов у высших эукариот.
До сих пор считалось, что миРНК и пиРНК впервые появились у общих предков билатерально-симметричных животных. У растений аналогичные регуляторные системы, основанные на малых РНК, развились, судя по всему, независимо, но на основе той же общей базы — системы РНК-интерференции, которая была уже вполне развита у древнейших одноклеточных эукариот. Большое разнообразие малых регуляторных РНК у высших животных считают одним из важных факторов, способствовавших эволюции животных по пути усложнения. Усложнение организации у животных вообще шло не столько за счет совершенствования самих белок-кодирующих генов, сколько за счет развития эффективных систем регуляции работы этих генов.
Новая статья американских и австралийских ученых, опубликованная на сайте журнала Nature, существенно уточняет наши представления об эволюции малых регуляторных РНК. Как выяснилось, оба класса этих молекул, характерные для высших животных, — миРНК и пиРНК — имеются уже у самых примитивных представителей животного царства, а именно у актинии Nematostella (см.: Геном актинии оказался почти таким же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007) и у губки Amphimedon. Прежние попытки найти гены миРНК и пиРНК в геномах этих животных были безуспешными или давали противоречивые результаты.
Дело в том, что поиск генов малых функциональных РНК — задача весьма сложная. Молекулы миРНК и пиРНК очень маленькие (21-24 и 25-30 нуклеотидов соответственно). Если нуклеотидные последовательности какой-нибудь разновидности миРНК у разных животных идентичны или почти идентичны, то, зная одну из последовательностей (например, у мыши), найти вторую (например, у человека) довольно просто. Но если в ходе эволюции последовательность сильно изменилась, «выловить» ее на основе сходства с известными последовательностями становится почти невозможно, потому что из-за малой длины гена резко возрастает вероятность «ложноположительного» результата поиска.
У актинии и губки большинство последовательностей миРНК и пиРНК очень сильно отличаются от тех, что известны у высших животных. Поэтому исследователям пришлось разработать весьма сложные критерии поиска и идентификации генов миРНК и пиРНК. При этом учитывалось всё, что известно на сегодняшний день о структуре этих генов, общих принципах их организации, о строении двухцепочечных «предшественников», о механизмах «вырезания» белками Dicer функциональных миРНК из этих предшественников, и т. д. Кроме того, поиск пришлось вести не путем компьютерного анализа уже прочтенного генома (так ищут гены белков, регуляторные последовательности ДНК и многие другие «пласты информации» в геноме), а путем выделения из клеток и секвенирования многих миллионов молекул РНК, что, конечно, гораздо дольше и труднее.
|
В геноме актинии удалось обнаружить гены 40 различных миРНК, причем только одна из этих регуляторных молекул оказалась сходной с известными миРНК высших животных. Молекулы — предшественники миРНК у актинии оказались довольно мелкими по сравнению с аналогичными молекулами высших животных. У губки нашли 8 генов миРНК, непохожих ни на миРНК высших животных, ни на миРНК актинии. Размер молекул–предшественников у губки оказался значительно больше, чем у других животных. Одна из этих молекул, по-видимому, является предшественником не одной, а сразу двух миРНК, причем одна из них работает преимущественно в клетках личинки, а другая — в клетках взрослой губки. Этот факт свидетельствует о существовании каких-то загадочных механизмов избирательной «загрузки» молекул миРНК в комплексы RISC.
Губки на сегодняшний день считаются самыми примитивными из многоклеточных животных (точнее, самыми «рано ответвившимися»), отстояв право на это почетное звание в честной борьбе с трихоплаксом (см.: Судя по полному геному, трихоплакс не так прост, как думали раньше, «Элементы», 09.09.2008). Поэтому наличие у них миРНК свидетельствует о том, что данная система генной регуляции имелась уже у общего предка всех животных. Правда, можно предположить и независимое возникновение миРНК у губок и остальных животных. Авторы, однако, считают это маловероятным, потому что они нашли в геноме губки гены белков Drosha и Pasha, которые подготавливают молекулу-предшественницу к обработке белками Dicer. Эти гены у губки оказались очень похожими на соответствующие гены других животных. Следовательно, система миРНК у губок и других животных имеет общее происхождение.
Авторы провели столь же тщательный поиск миРНК у трихоплакса, но ничего не нашли. По-видимому, трихоплакс утратил эту систему наряду с некоторыми другими системами генной регуляции (скорее всего, трихоплакс произошел от более сложно устроенных предков). У трихоплакса нет белка Pasha, хотя ключевые компоненты системы РНК-интерференции — белки Dicer и Argonaute — у него имеются. Есть у трихоплакса и белок Drosha, но он может использоваться клеткой не только для обработки «предшественников» миРНК, но и для приведения в «боевую готовность» обычных рибосомных РНК.
Не удалось обнаружить миРНК и у воротничкового жгутиконосца Monosiga — представителя группы, от которой произошли животные (см.: Расшифрован геном хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родичей всех многоклеточных животных, «Элементы», 18.02.2008). У Monosiga отсутствуют даже белки Dicer и Argonaute, хотя у общего предка воротничковых жгутиконосцев и животных эти белки, скорее всего, были. Пока остается неизвестным, имелись ли у этого предка также и миРНК.
Таким образом, стало ясно, что миРНК имелись уже у самых первых животных. Прогрессивное усложнение организации животных сопровождалось увеличением количества и разнообразия миРНК. В целом эволюция миРНК у животных была весьма бурной и динамичной (до сих пор у ученых просто не было данных, чтобы судить об этом).
Авторы также обнаружили много разнообразных пиРНК как у актинии, так и у губки. Таким образом, этот класс малых регуляторных РНК тоже появился очень давно, еще у самых примитивных животных. Кроме обуздания активности транспозонов, пиРНК, по-видимому, выполняют в клетке еще какие-то важные функции, но пока не ясно, какие именно (см.: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007).
Авторы не упоминают в статье о том, искали ли они пиРНК у трихоплакса и воротничкового жгуктиконосца. Зато они делятся с читателями замечательной догадкой. Известно, что в геномах животных присутствует огромное количество разнообразнейших мобильных генетических элементов. Откуда взялось такое разнообразие? Возможно, появление у первых животных эффективной системы подавления активности транспозонов при помощи пиРНК стало ключевым фактором, направившим эволюцию мобильных элементов в сторону роста разнообразия. Каждая пиРНК инактивирует мобильные элементы со строго определенной последовательностью нуклеотидов. В такой ситуации любое изменение этой последовательности, выводящее транспозон из-под контроля пиРНК, оказывается выгодным транспозону и будет поддерживаться отбором.
Источник: Andrew Grimson, Mansi Srivastava, Bryony Fahey, Ben J. Woodcroft, H. Rosaria Chiang, Nicole King, Bernard M. Degnan, Daniel S. Rokhsar, David P. Bartel. Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals // Nature. 2008. Advance online publication 1 October 2008.
Александр Марков
