От медузите до хората. Учени откриха механизма, който е предизвикал еволюцията на сложните организми преди 740 милиона години

В зората на историята на живота пренареждането на вътрешната структура е проправило пътя към появата на органите и симетрията.

Чревните и гребеновидните животни са сред най-старите сложни животни на Земята. Към първите спадат медузите, коралите и актиниите, а към вторите – почти прозрачните гребенести медузи, които се плъзгат леко във водния стълб. Появявайки се преди около 740-520 милиона години, тези организми са първите многоклетъчни същества, които развиват различни видове тъкани. Тяхната поява е ключов етап в еволюцията: от колонии от еднакви клетки природата преминава към организми, при които всяка клетка изпълнява специфична функция. Но какво е това нещо, което е направило това възможно?

Ново проучване предлага отговора: решаващата роля не е на появата на нови гени, а на нарастващата сложност на начините, по които те се контролират. Учените показаха, че най-важната стъпка е настъпила на нивото на пространствената организация на ДНК – по какъв начин различните участъци на генома са започнали да взаимодействат помежду си. Механизмът включва триизмерното сгъване на хроматина – структурата, в която е опакована ДНК в клетъчното ядро. Благодарение на това отдалечените ДНК фрагменти могат да се сближават и съвместно да контролират активността на гените. Според изследователите именно тази организация е позволила на клетките да образуват различни видове тъкани.

За да разберем значението на откритието, трябва да си припомним основните положения. Във всички клетки на един и същи организъм геномът е един и същ, но тъканите се различават по това кои части от него са активни. Един ген започва в промоторната област – участък от ДНК преди началото на кодиращата последователност. Тук са прикрепени протеините, наречени транскрипционни фактори, които включват или потискат транскрипцията – първата стъпка в процеса на прочитане на информацията от ДНК. При едноклетъчните организми всичко се случва локално: регулацията е ограничена до областта в непосредствена близост до гена. При многоклетъчните организми обаче е необходима сложна координация: различните клетки използват едни и същи гени в различни комбинации, създавайки специфични набори от протеини за мускулите, кожата, нервите и другите тъкани.

Когато една клетка се специализира, един и същ ген може да изпълнява различни функции. Например генът тубулин участва в образуването на ресничките, клетъчното делене и функцията на невроните. За да се включи той точно там, където е необходимо, е необходима гъвкава комбинация от регулаторни протеини. В непосредствена близост до гена обаче няма достатъчно място и един промотор не е достатъчен. Еволюцията е добавила отдалечени регулаторни елементи – енхансери. Тези участъци от ДНК не кодират протеините, но контролират активността на гените от разстояние, служейки като допълнителни точки за свързване на транскрипционните фактори. Това позволява един и същ ген да се използва в различните клетки, без да е необходимо да се дублира в генома.

И така, как участък от ДНК, който е далеч от даден ген, може да му влияе? Отговорът се крие в триизмерната структура на хроматина. Молекулата на ДНК е увита около хистонови протеини, които образуват плътни влакна. Вътре в ядрото тези влакна се сгъват в примки и домени, като сближават отдалечените области. Тези примки са най-важният механизъм за генната регулация при животните: те позволяват на енхансера да се доближи до промотора и да активира желания ген. Образуването на примките се осигурява от протеините на кохезиновия комплекс, които „издърпват“ хроматиновия участък, докато той не срещне рестрикционен протеин – при хората това най-често е CTCF. Този процес изисква енергия, но дава на клетката възможността да контролира генната експресия с прецизност и гъвкавост.

Екипът на Арнау Себе-Педроса от Центъра за геномни регулации в Барселона установи, че такава триизмерна архитектура на генома се появява още при най-старите многоклетъчни животни. Учените сравнили техните геноми с геномите на най-близките им едноклетъчни роднини – ихтиоспоридите, филастероидите и хоанофлагелатите. При многоклетъчните изследователите открили хиляди хроматинови примки, обединяващи промотори и енхансери, докато при едноклетъчните няма нищо подобно. Това показва, че пространствената регулация на гените се е появила в зората на животинската еволюция.

За анализа е използван методът Micro-C, който фиксира кои хроматинови области са разположени една до друга в клетъчното ядро. След химическото „свързване“ на съседните ДНК фрагменти те се разделят и се секвенират, за да се определи кои последователности най-вероятно са в контакт. По този начин се създава подробна карта на триизмерната структура на генома. Методът е особено ефективен за организми с компактни геноми, тъй като позволява да се идентифицират и най-малките контакти между ДНК фрагментите.

Резултатите показват, че дори при видове с малки геноми, като например гребенестите китове, до 60% от всички хроматинови контакти са цикли, свързващи регулаторните елементи с активни гени. Подобни структури не са открити при техните едноклетъчни роднини. Това означава, че появата на такива механизми е позволила на клетките да използват един и същ набор от гени по различни начини и по този начин да формират разнообразни типове тъкани. Без тази способност многоклетъчният живот в обичайния смисъл на думата би бил невъзможен.

Учените отбелязват, че триизмерната организация на генома не е единственият фактор, допринесъл за сложността на живите системи. Други процеси също са изиграли значителна роля: разширяването на геномите благодарение на регулаторните последователности, появата на нови протеини, както и развитието на междуклетъчните сигнали. В същото време все още не е известно кои протеини създават циклите при протозоите, тъй като те нямат класически CTCF. Може би неговите функции се изпълняват от сродни протеини, а енхансерите са допълнителни места за свързване на транскрипционни фактори. По-ясното разделяне на регулаторните области, характерно за гръбначните животни, може да се е появило по-късно – при двустранно симетричните организми.

Независими експерти смятат, че откритията изглеждат убедителни и съответстват на наблюденията при бозайниците, където веригите между енхансерите и промоторите също играят ключова роля в активирането на гените, определящи клетъчния тип. Въпреки това ще са необходими повече данни за конкретните видове, за да се потвърди окончателно хипотезата: съвременните медузи и гребеновидните медузи не са идентични с древните си предци и преките паралели трябва да се правят с повишено внимание.

Основният извод е ясен: когато геномът се е научил да сгъва ДНК така, че правилните регулатори и гени да могат да си взаимодействат, природата е получила мощен инструмент за усложняване на живота. От един-единствен набор от гени е станало възможно да се създават различни видове клетки, а оттам и тъкани и органи. Това пренареждане на регулаторните механизми станало основа на биологичното разнообразие.

Интересно е, че предпоставките за това са съществували още при едноклетъчните предци: достатъчно е било да се промени не съставът на гените, а начините на тяхната организация и употреба. Това показва, че новите етапи на еволюцията не винаги изискват появата на нови гени – понякога е достатъчно съществуващите гени да се използват по нов начин.