Материнская мРНК защищает наследуемые эгоистичные элементы от репрессии транскрипции

По эпигенетическим меткам можно выяснить, от кого из родителей был получен ген. Благодаря этим меткам гены, полученные от матери и отца, становятся неэквивалентными, что влияет на эмбриональное развитие. Однако эволюция таких эпигенетических различий пока изучена слабо. Авторы публикации в Nature занялись этим вопросом — они показали на нематодах, как получение гена от одного из родителей влияет на его экспрессию.

Существует несколько теорий, для чего в ходе эволюции возник геномный импринтинг. Открытие первых импринтированных генов у млекопитающих привело к гипотезе, что этот механизм развился для подавления экспрессии вирусной ДНК. Недавние данные по влиянию piРНК на репрессию транскрипции навели на мысль, что зависимость экспрессии гена от того, от какого родителя он получен, встречается и у организмов, не имеющих метилирования ДНК, но богатых малыми регуляторными РНК. Такими организмами являются, например, нематоды, и именно их ученые выбрали в качестве модельного объекта.

При сравнении генотипов двух диких изолятов нематод Caenorhabditis tropicalis ученые обнаружили эгоистичные элементы в третьей хромосоме, и назвали их slow-1/grow-1. Система включает в себя три гена: slow-1, с которого экспрессируется токсин, и два гена антидота, grow-1.1 и grow-1.2. Этот эгоистичный элемент экспрессируется только в тех случаях, когда он получен от материнского организма, причем транскрипты slow-1 загружаются в яйцеклетку еще до оплодотворения, а grow-1 экспрессируется на стадии зиготы.

Для изучения наследования slow-1/grow-1 исследователи получили изогенные линии нематод. При скрещивании гетерозиготных самок с самцами, не несущими ТА-элемент, яйцеклетки несли в себе токсин, и только потомство, наследующее slow-1/grow-1, могло противодействовать токсину путем экспрессии антидота. Нематодам, отравленным токсином, требуется в среднем в два раза больше времени на развитие, чем дикому типу, не получившему токсина. Это способствует распространению ТА в популяции.

При скрещивании самок, имеющих локус slow-1/grow-1 с самцами без него, у всех гомозиготных потомков без эгоистичных элементов, которые не могли синтезировать антидот, отмечалась задержка развития. Проводя реципрокное скрещивание, где самцы были носителями ТА, а самки нет, ученые таких задержек в развитии не наблюдали. Эта разница позволяет предположить, что при наследовании эгоистичного элемента по отцовской линии имеет место подавление его транскрипции.

Исследователи предположили, что за регуляцию экспрессии ТА здесь отвечают piРНК. Нокаут ортологов PRG-1 (белки семейства PIWI, найденные в организме другого вида нематод) нарушил репрессию транскрипции, происходящую при наследовании ТА по отцовской линии.

Полученные результаты объясняются транскрипционной репрессией slow-1 токсина с помощью piРНК. При материнском наследовании ТА в яйцеклетке оказывается мРНК токсина, которая маркирует эгоистичный элемент, не давая piРНК его репрессировать. А когда наследование происходит по отцу, отсутствие материнской мРНК приводит к сильной репрессии гена токсина.

Метилирование промотора не всегда выключает ген