Биологи изучили эволюцию 3D-структуры глобиновых генов

Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова и Института биологии гена РАН на примере генов, кодирующих белки гемоглобина, показали, что одной из важных тенденций в эволюции генома является возникновение пространственных взаимосвязей между удаленными участками хромосом. Результаты исследования, опубликованного в журнале Molecular Biology and Evolution, объясняют причины возникновения некоторых форм болезней крови. Работа ученых поддержана грантом Российского научного фонда. Наиболее свежие достижения были озвучены на международной конференции 25th Wilhelm Bernard Workshop on the Cell Nucleus, проходившей 19-23 июня 2016 года в Нижнем Новгороде.

В ходе эволюции увеличивалось число генов, изменялась их структура, терялись старые функции и приобретались новые, изменялись порядок их расположения и место в геноме. Эти процессы обеспечили все то бесконечное многообразие жизненных форм, что нас окружает. Долгое время молекулярная эволюция геномов рассматривалась как эволюция их линейной структуры, а особенности пространственной организации и архитектуры геномов при этом не учитывались.

Линейный геном представляет собой полимер длиной около двух метров, упакованный в клеточном ядре диаметром около 10 микрон. Плотно упаковать геном помогает ассоциация ДНК с белками в составе хроматина. Существует несколько уровней упаковки геномной ДНК, в том числе организация хроматиновой фибриллы в петли и компактные домены (глобулы). Эти структуры образуются в результате взаимодействий между генами и специализированными геномными элементами, регулирующими работу этих генов. Из-за особенностей упаковки ДНК в клеточном ядре гены могут оказываться рядом, даже если они находятся далеко друг от друга на молекуле ДНК или в разных хромосомах.

Пример такого сближения можно видеть при изучении пространственного расположения глобиновых генов и их регуляторных элементов. Глобиновые гены кодируют белки, которые входят в состав гемоглобина — сложного белкового комплекса, транспортирующего кислород по организму у всех позвоночных животных.

У холоднокровных позвоночных гены, кодирующие разные субъединицы гемоглобина, собраны в единый кластер, а у теплокровных они находятся на разных хромосомах. «Мы показали, что кластер глобиновых генов у рыб разделен на две независимые части: линейную и глобулярную. Гены, собранные в глобулу, находятся под контролем общего регуляторного элемента, а гены, которые не участвуют в формировании глобулы, работают независимо как друг от друга, так и от глобулярной части кластера и ее регуляторного элемента», — рассказывает автор исследования, член-корреспондент РАН Сергей Разин, сотрудник биологического факультета МГУ и Института биологии гена РАН. По-видимому, у общего предка позвоночных кластер глобиновых генов также был разделен на две части, и из двух вариантов — линейного и глобулярного — в ходе эволюции лишь один остался «рабочим», считают ученые. «Оказалось, что именно глобулярная организация имеет очевидные эволюционные преимущества», — добавляет Разин.

Результаты исследования биологов позволят лучше понять механизмы регуляции экспрессии глобиновых генов и объяснить причины возникновения некоторых форм заболеваний крови, не связанных с непосредственной утратой глобиновых генов (к таким, например, относятся некоторые талассемии).

«Если говорить об общебиологическом значении нашей работы, то важно, что она продемонстрировала тенденцию к усложнению пространственной организации генома по ходу эволюции. По нашему мнению, это напрямую связано с усложнением регуляторных систем, контролирующих гены у человека и теплокровных животных», — считает Сергей Разин.

Фото: Возникновение пространственных взаимосвязей между удаленными участками хромосом. Источник: Сергей Разин.