Scienty

Биологи выяснили, что сложная система регуляции генов у животных возникла не на пустом месте, а путем модификации древнего несовершенства молекулярных машин. Новое исследование показало, что предки многоклеточных организмов научились использовать естественное замедление ферментов на старте считывания ДНК как жесткий тормоз, необходимый для синхронного запуска генетических программ.

Фото: img.freepik.com

В клетках млекопитающих и мух процесс транскрипции (считывание информации с гена) имеет странную особенность. Фермент РНК-полимераза II садится на ДНК, проходит 20-60 нуклеотидов и замирает, ожидая химической команды для продолжения. У одноклеточных организмов вроде дрожжей или бактерий такого строгого контроля нет, и их полимераза работает без остановок. Оставалось загадкой, в какой момент эволюции возникла эта «пауза» и какие молекулярные детали для нее понадобились.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Structural & Molecular Biology, попробовали восстановить хронологию событий. Для этого применили метод сверхточного картирования PRO-seq.

Ученые проанализировали работу полимеразы у 20 видов организмов, представляющих два миллиарда лет эволюции: от архей и кишечной палочки до грибов, морских анемонов и человека. Сравнительный анализ показал, что «протопауза» появилась еще у одноклеточных эукариот: фермент не останавливался намеренно, а просто буксовал на старте из-за физических препятствий на молекуле ДНК. У животных появляются новые белковые субъединицы комплекса NELF, которые превратили вялое скольжение в жесткую фиксацию.

Чтобы доказать функциональность этого «тормоза», авторы научной работы провели эксперимент на стволовых клетках мышей. Они генетически модифицировали их так, чтобы иметь возможность мгновенно разрушать белок NELF, и подвергли клетки тепловому шоку. В норме при перегреве срабатывает белок-командир HSF1: он экстренно снимает полимеразы с паузы, запуская лавинообразный синтез защитных веществ.

Однако в клетках с разрушенным тормозом спасательная операция провалилась. Без удерживающего фактора полимеразы не ждали сигнала на старте, а хаотично «просачивались» вперед по гену. Когда пришел сигнал тревоги, активировать было некого: ферменты разбрелись по дистанции, синхронного синтеза не получилось.

Как показало это исследование, механизм паузы работает как стартовые колодки для спринтера. Он позволяет держать гены в состоянии взведенной пружины, чтобы в нужный момент — при развитии эмбриона или стрессе — запустить их мощно и синхронно. Сложность многоклеточной жизни построена на усовершенствовании древних молекулярных ошибок.