Atklājumi.lv

'Lēkājošo gēnu' ietekme uz indivīdu atšķirību veidošanos

Organismu fenotipiskās variācijas jeb, vienkāršākā valodā runājot, to, kā mēs izskatamies un kā, piemēram, reaģējam uz vienu vai otru vielu, nosaka iedzimtības un vides faktoru mijiedarbība. Attiecībā tieši uz ārējo pazīmju veidošanos, izrādās, liela loma ir ne tikai gēnu rekombinācijai un replikācijas kļūdu vai DNS bojājumu izraisītām mutācijām, bet arī transpozoniem - mobīlajiem ģenētiskajiem elementiem, kas spēj pārvietoties no vienas genoma vietas uz citu un ilgu laiku tika uzskatīti par "atkritumu" (junk) DNS.

Transpozonus, zināmus arī kā "lēkājošos gēnus", eksperimentējot ar kukurūzas augiem, 1948.g. atklāja Ņujorkas "Cold Spring Harbor Laboratory" pētniecības centra ģenētiķe Barbara Maklintoka. 1983.g. par transpozonu atklājumu, vairāk nekā 30 gadus pēc tā izdarīšanas, B.Maklintoka saņēma Nobeļa prēmiju Medicīnā un fizioloģijā.

Sākotnēji citi biologi pret Maklintokas atklājumu izturējās skeptiski, taču, ar laiku noskaidrojās, ka šie jaunatrastie DNS elementi, ne tikai "lēkā", bet arī lielā daudzumā atrodas teju visos organismos - prokariotos un eikariotos. Lielākā transpozonu daļa ir neaktīvi - tie vai nu ir "fosilizējušies" (zaudējuši spēju kodēt proteīnus mutāciju ietekmē) jeb arī deaktivizēti ar epiģenētiskiem mehānismiem. Turklāt, - kas galvenokārt ticis atklāts tikai pēdējās desmitgades laikā, - transpozoniem ir ne tikai destruktīvas, bet arī evolucionāri noderīgas un genoma funkcionalitātei svarīgas īpašības. Cilvēka genomā, piemēram, ir apmēram 45-50% dažādu tipu transpozoni, kamēr kukurūzā tie veido līdz pat 90% DNS.

Par to, ka transpozoni spēj ietekmēt fenotipiskās pazīmēs bija zināms jau iepriekš. Piemēram, 2006.g. žurnālā "Molecular Biology and Evolution" tika publicēts raksts, kura autori apraksta pētījumu ar speciāli selekcionētu zivju, medaku, ģenētisko līniju. Japāņu zinātnieki bija atklājuši, ka medakām ir 3 dabīgi mutējušas pigmentācijas gēna allēles (gēna variācijas), kurās atrodas Tol1 un Tol2 tipa transpozoni. Zivis, kurām piemīt divas no šīm 3 allēlēm ir pilnīgi vai daļēji albīnas. Pētnieki noteica, ka tie eksperimentālās līnijas īpatņi, no kuru pigmentācijas gēna Tol2 transpozons "izlēca" laukā no savas vietas "tīrā" veidā (t.i. nepaņemot līdzi citas genoma sekvences daļas) kā bija, tā arī palika albīni, kamēr tās zivis, kurām Tol2 "aizejot" paņēma līdzi arī kādas līdzšinējā saimniekgēna funkcionālās daļas, ieguva dažnedažādu nokrāsu pigmentāciju, kura bija ģenētiski mantojama. Pētījuma autori atzīmēja, ka mugurkaulnieku vidū šāda parādība tiek konstatēta pirmo reizi un tai, iespējams, ir daudz lielāka nozīme fenotipisko variāciju radīšanā nekā līdz tam uzskatīts.

Savukārt nesen, š.g. 8. novembrī, žurnālā "Nature Communications" citi zinātnieki no Brauna universitātes (ASV) publicēja rakstu, kurā ziņots par vēl vienu, no augstāk aprakstītā atšķirīgu, taču tāpat ar transpozoniem saistītu molekulāru mehānismu, kas ietekmē organismu pazīmju veidošanos. 

Jaunajā publikācijā, kas sagatavota, pamatojoties uz eksperimentos ar augļu mušiņām iegūtiem rezultātiem, pētnieki skaidro, ka par ADAR sauktais RNS rediģējošais [1] enzīms, kas sastopams cilvēku, mušu un daudzu citu radību šūnās, iedarbojas arī uz dubultspirāles RNS, kura asociējās ar tā sauktajiem Hopela tipa II klases transpozoniem.

Atklājums, kā tas zinātnes vēsturē gadījies ne vienu reizi vien, tika izdarīts nejauši. Publicētā pētījuma vadošais autors, toreiz doktorantūras students Yiannis Savva pirms vairākiem gadiem strādāja profesora Roberta Rīnena laboratorijā, pētot ADAR ietekmi uz drozofīlas nervu sistēmas attīstību. Jaunais zinātnieks, veicot eksperimentus, nejauši izraisīja īpaši lielu, iepriekš neplānotu ADAR sintēzi mušas siekalu dziedzeru šūnās. Izpētot šo mušu DNS, viņš pēkšņi pamanīja, ka ADAR enzīms ir piesaistījies negaidītā vietā: vienā specifiskā lokusā ceturtajā hromosomā. Rīnens atceras: "Es viņam teicu, ka tas ir vai nu pseidogēns vai arī tā būs tavu tēžu centrālā tēma."

Drīz vien, pēc vairāku testu izdarīšanas pētnieki noskaidroja, ka šajā īpašajā drozofīlas ceturtās hromosomas vietā atrodas vairāki Hopela transpozoni, kas sintezē dubultspirāles RNS. Kāda gan ADAR enzīmam ir saistība ar Hopela transpozoniem? Tas bija kaut kas jauns! Lai iegūtu atbildi uz savu jautājumu, zinātniekiem vajadzēja veikt ilgstošas dažādu eksperimentu sērijas. Tostarp viņi pārvietoja šos transpozonus uz vietām, kur tie iepriekš nebija atradušies un konstatēja, ka ADAR tiem seko. Viņi izdzēsa dubultspirāles RNS sintezējošos gēnus no ceturtās hromosomas un redzēja, ka ADAR no turienes pazuda. Visbeidzot viņi noteica specifiskās vietas, kurās dubultspirāles RNS tiek rediģēta un fiksēja rediģēšanas pazīmes.

Hopela tipa transpozonu deaktivizācija jeb "apklusināšana" šūnas kodolā notiek, tos cieši aptinot ap hromatīna proteīnu - histonu - bumbiņām - satītā veidā tie nevar darboties. Svarīga loma šajā procesā ir RNS interferences (t.s. pēctranskripcijas gēnu apklusināšana ar nelielu RNS molekulu palīdzību) signālceļam, kura ierosinātāja ir dubultspirāles RNS. Turpretī attīti, transpozoni var ietekmēt savu saimniekgēnu aktivitāti.

Mušām, kuru šūnās ADAR sintezējās salīdzinoši mazākā daudzumā, pētnieki novēroja līdz pat 20% lielāku mūža garumu kā arī izmaiņas reportiergēnu [2] eksperesijas apjomā - šī tendence acīmredzami norādīja uz enzīma antagonisko iedarbību uz transpozonus apklusinošajām sistēmām.

Lai arī eksperimenti tika izdarīti ar drozofīlām, jāņem vērā, ka "ADAR cilvēku šūnās darbojas tāpat kā mušās, kā arī dubultspirāles RNS cilvēkiem sintezējas identiskā veidā" stāsta pētījuma vadītājs Yiannis Savva. "Tie visi ir universāli, bioloģiski rīki un šis mehānisms nav nekas īpašs, tikai mušu organismos sastopams."

Eksperimentus turpinot, zinātnieki novēroja, ka, palielinot vai samazinot ADAR aktivitāti mušām, kurām Hopela transpozoni atrodas netālu no acu krāsas reportiergēna, kļuva iespējams ietekmēt īpatņu acu krāsu. Indivīdiem ar lielāku enzīma daudzumu acis biežāk bija sarkanas, tādējādi norādot uz samazinātu, ar acu krāsu saistīto gēnu "apklusināšanu", kamēr mušas, kurām ADAR sintezējās nelielā apjomā, vairāk dzima ar baltām acīm.

"Pētījums bija fokusēts uz augļu mušiņām, ADAR un Hopela transpozona RNS dubultspirāli, taču RNS rediģējošo faktoru spēja vājināt kaut tikai dažu transpozonu veidu deaktivizāciju, var būt gan cilvēku, gan citu sugu īpatņu individuālo variāciju iemesls," teica pētījuma vecākais autors, Brauna universitātes biologs Roberts Rīnens. Dubultspirāles RNS rediģēšana vai tās trūkums atsevišķos gadījumos jau tagad ir sasaistīts ar noteiktām cilvēku saslimšanām, tai skaitā amiotrofisko laterālo sklerozi, kā arī, tieši saistībā ar ADAR, ar Aikardi-Gutjē (Aicardi-Goutières) sindromu.

Attēlā: Drozofilu acis lielā palielinājumā. Kreisā pusē redzamās sarkanās acs īpašnieces RNS ticis pakļauts rediģēšanai ievērojami vairāk nekā mušai attēla labajā pusē. Brauna universitātes publicitātes foto.

Paskaidrojumi:

[1] RNS rediģēšana ir molekulārs process, kura ietvaros atsevišķas šūnas var veikt diskrētas izmaiņas RNS molekulas nukleotīdu secībā pēc tam, kad RNS polimerāze tās ir sintezējusi. RNS rediģēšana notiek salīdzinoši reti un to parasti nodala no tādiem bieži sastopamiem RNS molekulārās apstrādes veidiem kā RNS līmēšana jeb splaisings, 3'-poliadenilēšana un 5'-cap veidošana. Rediģēšana sevī var ietvert gan ievietošanu, gan izgriešanu kā arī nukleotīdu bāzu aizvietošanu RNS molekulā.

[2] Par reportiergēniem molekulārajā bioloģijā sauc gēnus, kurus pētnieki ar gēnu inženierijas metodēm pievieno citu gēnu regulējošajam reģionam baktērijā, šūnu kultūrā, dzīvniekā vai augā. Reportiergēnu uzdevums ir sniegt indikācijas vai un kā darbojas konkrētajā situācijā zinātniekus interesējošais mērķa gēns. Par reportiergēniem izvēlas tādus gēnus, kuru darbību viegli pamanīt - to sintēzes produkts vai nu spīd, atšķiras ar pigmentāciju vai izdala viegli konstatējamus biomarķierus.

Avoti:

Koga, A., et al. Vertebrate DNA transposon as a natural mutator: The medaka fish Tol2 element contributes to genetic variation without recognizable traces. Molecular Biology and Evolution 23, 1414–1419 (2006) doi:10.1093/molbev/msl003

Yiannis A. Savva, James E. C. Jepson, Yao-Jen Chang, Rachel Whitaker, Brian C. Jones, Georges St Laurent, Michael R. Tackett, Philipp Kapranov, Nan Jiang, Guyu Du, Stephen L. Helfand, Robert A. Reenan. RNA editing regulates transposon-mediated heterochromatic gene silencing. Nature Communications, 2013; 4 DOI: 10.1038/ncomms3745

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.