Вчені виявили складні механізми регуляції генів у найдавніших тварин

Група дослідників здійснила важливе відкриття щодо еволюції механізмів регуляції генів у тварин. Науковці встановили, що дистанційна регуляція — здатність контролювати гени на значній відстані, через десятки тисяч літер ДНК — виникла на самому початку еволюції тварин, між 650 та 700 мільйонів років тому, в період Кріогенію. Це приблизно на 150 мільйонів років раніше, ніж вважалося досі.

Дистанційна регуляція базується на складному механізмі згортання ДНК та білків у вишукані петлі. Цей процес дозволяє ділянкам, що розташовані далеко від початкової точки гена, активувати його функцію. Такий додатковий рівень контролю, ймовірно, допоміг першим багатоклітинним тваринам формувати спеціалізовані типи клітин і тканин без необхідності створювати нові гени.

Це важливе еволюційне надбання, найімовірніше, виникло у морської істоти, яка була спільним предком усіх сучасних тварин. Ця давня тварина розвинула здатність згортати ДНК контрольованим способом, створюючи петлі у тривимірному просторі, що дозволило віддаленим ділянкам ДНК безпосередньо контактувати між собою.

«Ця істота могла використовувати свій генетичний інструментарій різними способами, немов швейцарський ніж, що дозволило їй вдосконалювати та досліджувати інноваційні стратегії виживання», — пояснює докторка Іана Кім, наукова співробітниця Центру геномного регулювання та Національного центру геномного аналізу.

Дослідники зробили це відкриття, вивчаючи геноми найдавніших гілок на еволюційному дереві тварин, зокрема реброплавів, як-от морський горіх (Mnemiopsis leidyi), плакозоїв, кнідарій та губок. Вони також досліджували одноклітинних родичів, які не є тваринами, але мають спільного предка.

«Вивчаючи дивовижних морських істот, можна відкрити багато нової біології», — зазначає професор Арнау Себе-Педрос, науковий співробітник Центру геномного регулювання. «Досі ми порівнювали послідовності геномів, але завдяки новим методам тепер можемо аналізувати механізми регуляції генів, які контролюють функції геному різних видів».

Науковці використали метод Micro-C для картографування фізичного згортання ДНК усередині клітин 11 різних видів. Для порівняння: в ядрі кожної людської клітини упаковано приблизно 2 метри ДНК. Дослідники опрацювали 10 мільярдів фрагментів даних секвенування, щоб детально побудувати тривимірну карту геному кожного виду.

У той час як в одноклітинних родичів тварин не було виявлено ознак дистанційної регуляції, у примітивних тварин, таких як реброплави, плакозої та кнідарії, було знайдено багато петель. Лише у морського горіха виявили понад чотири тисячі петель по всьому геному. Це відкриття вражає, враховуючи, що його геном складається лише з близько 200 мільйонів літер ДНК. Для порівняння: геном людини містить 3,1 мільярда літер, а наші клітини можуть мати десятки тисяч петель.

До цього часу вважалося, що дистанційна регуляція вперше з'явилася у останнього спільного предка двобічно-симетричних тварин — групи, що включає багато різних видів тварин, які вперше з'явилися на Землі близько 500 мільйонів років тому. Проте реброплави походять від життєвих форм, які відокремилися від інших тваринних ліній приблизно 650−700 мільйонів років тому.

«Питання про те, чи реброплави старші за губок в еволюційному дереві життя, залишається предметом тривалих дискусій у колах еволюційних біологів, але дослідження демонструє, що дистанційна регуляція виникла щонайменше на 150 мільйонів років раніше, ніж вважалося», — підсумовують автори дослідження.

Результати дослідження опубліковано в журналі Nature.