При реконструкции предковых геномов различных видов были открыты новые мобильные элементы

Мобильные генетические элементы играют важную роль в геномной пластичности и способны влиять на экспрессию генов. Ученые из Швейцарии разработали новый подход к их идентификации. С его помощью они обнаружили в геноме человека ранее неаннотированные транспозоны, относящиеся ко всем основным классам мобильных элементов. Кроме того, исследователи нашли ранее неизвестные транспозоны с уникальными свойствами, которым они дали название «вырожденные мобильные элементы».

В настоящее время для аннотации транспозонов в геномах в качестве «золотого стандарта» используются специальные инструменты, опирающиеся на уже аннотированные мобильные элементы, которые включены в базы данных (репозитории). Такая стратегия существенно снижает возможности идентификации ранее неизвестных мобильных элементов, особенно древних, ввиду низкого сходства их последовательностей с таковыми у современных транспозонов. Ранее был предложен метод идентификации новых мобильных элементов на основе реконструкции предковых геномов более чем 600 геномов позвоночных. Швейцарские ученые разработали новый подход к идентификации мобильных элементов в реконструированных предковых геномах, который не использует общие методы аннотации транспозонов. 

Для доказательства применимости метода ученые использовали геном человека (сборка GRCh38 (hg38)). Они реконструировали шесть предковых геномов, принадлежащих предкам человека разной степени эволюционной удаленности. В исследование вошли общие предки инфраотряда обезьянообразные, приматов, эуархонтов, эуархонтоглиров, бореоуэтерий и эутерий (к последней группе относят плацентарных и родственные им вымершие таксоны). Анализ показал, что аннотация мобильных элементов с опорой на предковые реконструированные геномы дает невысокий процент ложноположительных результатов.

Чтобы проаннотировать мобильные элементы в каждом предковом реконструированном геноме, авторы работы воспользовались инструментом halLiftover. Они обнаружили, что суммарно в геноме человека содержится 191 млн пар оснований прежде неизвестных транспозонов. Ученые назвали новооткрытые транспозоны вырожденными мобильными элементами (degenerate transposable elements, degTE). Дальнейшие исследования показали, что degTE находятся в интронах или межгенных участках, как и остальные мобильные элементы, и распределены равномерно по всем хромосомам. 97% degTE произошли от подсемейств известных групп мобильных элементов в промежутке между общими предками млекопитающих и эутериев. Последовательности большинства degTE при этом сохранили существенную степень гомологии с транспозонами из тех подсемейств, из которых они произошли, но степень гомологии у ранее известных транспозонов все равно была выше. Проверка пайплайна на других организмах показала, что он успешно идентифицирует degTE в геномах.

Как показали дальнейшие исследования, degTE функционируют как регуляторные элементы. Они выступают в качестве последовательностей, с которыми связываются транскрипционные факторы, в частности, белки группы KZFP, содержащие домен «цинковый палец». Кроме того, их функционирование тесно связано с цис-регуляторными элементами.

Авторы работы показали, что, вдобавок к регуляторной функции, транскрипты degTE могут образовывать химерные транскрипты с мРНК генов клетки-хозяина. Известно, что экспрессия многих мобильных элементов происходит на определенных этапах развития человеческих эмбрионов. Опираясь на данные секвенирования РНК человеческих эмбрионов на разных этапах развития, ученые показали, что как минимум 222 degTE образуют химерные транскрипты, причем многие их них экспрессируются до стадии восьмиклеточного эмбриона. Более того, на долю химерных транскриптов приходится более половины всех транскриптов, считываемых с соответствующих хозяйских генов.

Во второй половине XX века Эрик Дэвидсон и Рой Бриттен предположили, что мобильные элементы играют фундаментальную роль в построении регуляторных сетей. Теперь же исследователи добились того, что не было достигнуто с помощью предыдущих методов аннотации транспозонов — они выявили большое количество кандидатных цис-регуляторных элементов, факторов транскрипции, связывающих транспозоны, и химерных транскриптов. Это дает новые подтверждения гипотезы Бриттена и Дэвидсона о широкой регуляторной роли мобильных генетических элементов.

Исследователи отмечают, что разработанный ими метод имеет ограничения. В частности, для того, чтобы получить результаты за адекватное время, требуются очень большие вычислительные мощности.



Новый вид транспозонов обнаружен у морской цианобактерии