Беспозвоночные украли эпигенетическую метку у бактерий

Группа ученых из США обнаружила в геноме коловраток из класса Bdelloidea N4-метилцитозин — модифицированный нуклеотид, который раньше считался характерным только для бактерий. Авторы предполагают, что скопление N4-метилцитозинов в областях, содержащих транспозоны, может быть одной из причин относительно медленного размножения мобильных генетических элементов в геноме этих организмов. Статья, рассказывающая об исследовании, опубликована в журнале Nature Communications.

Эпигенетические метки — это ковалентные модификации нуклеотидов, которые позволяют записать в геном некоторую дополнительную информацию. У бактерий эпигенетические метки встречаются в основном в системах рестрикции-модификации, которые позволяют отличить «свою» ДНК от ДНК бактериофага.

У эукариот модификации нуклеотидов обычно регулируют экспрессию генов и препятствуют распространению транспозонов — последовательностей, способных к самостоятельному перемещению внутри генома. У эукариот встречается два основных типа эпигенетических меток: это цитозин с метилированным C5-атомом (5mC) и аденин с метилированным N6-атомом (6mA). У бактерий обычно встречается цитозин, метилированный по N4-положению (4mC), и до недавнего времени считалось, что у эукариот такая модификация не встречается.

Группа ученых под руководством Ирины Архиповой (Irina Arkhipova) из Морской биологической лаборатории обнаружила, что N4-метилцитозин встречается не только у бактерий, но и у коловраток из класса Bdelloidea. Эти беспозвоночные известны своей способностью включать в свой геном чужеродные гены (8–12 процентов белок-кодирующих генов этих животных имеют бактериальное происхождение). Биологи обнаружили у представителя этого семейства коловратки Adineta vaga ген, кодирующий белок N4CMT. Этот белок очень похож на бактериальную метилтрансферазу, которая метилирует цитозин по N4-атому. Авторы отмечают, что этот белок встречается у других представителей класса Bdelloidea, но отсутствует у других эукариот, в том числе у животных из родственного класса Monogononta. С помощью дот-блоттинга — метода, который позволяет детектировать в образце интересующие макромолекулы (в нашем случае — модифицированные нуклеотиды) — ученые подтвердили, что метилтрансфераза N4CMT действительно способна метилировать N4-атом цитозина у организма A. vaga.

Экспрессия генов регулируется не только модификациями нуклеотидов, но плотностью упаковки ДНК. Нить ДНК в клетке накручивается на белки гистоны, что увеличивает ее компактность. В зависимости от модификаций гистонов плотность упаковки ДНК может увеличиваться — это будет затруднять посадку на ДНК белков, необходимых для транскрипции. Совокупность плотно упакованных участков ДНК называется гетерохроматином. ДНК, которая упакована менее плотно, называется эухроматином, и экспрессия таких участков идет более активно.

Существует несколько модификаций гистонов, влияющих на плотность упаковки хроматина. Метилирование 9 или 27 лизина в последовательности гистона H3 (H3K9me3 и H3K27me3, соответственно) приводит к переходу участка ДНК в состояние гетерохроматина. В свою очередь метилирование лизина 4 (H3K4me3) приводит к превращению в эухроматин. Для того чтобы оценить взаимосвязь встречаемости модифицированных нуклеотидов с активностью эксперессии с данного участка ученые использовали иммунопреципитацию хроматина (ChIP-seq). В этом методе биологи использовали антитела к модифицированным гистонам. Затем последовательности, связанные с гистонами, выделяли и секвенировали. Анализ показал, что участки с повышенной встречаемостью 4mC и 6mA перекрывались с участками, находящимися рядом с гистонами H3K9me3 и H3K27me3 — маркерами гетерохроматина.

Такие области с высокой встречаемостью 4mC и высокой плотностью упаковки хроматина включали в себя в том числе и участки, содержащие транспозоны. Авторы отмечают, что транспозоны, содержащие 4mC модификации, имели в геноме Bdelloidea меньше копий, чем последовательности, которые не содержали таких меток (p = 6,8×10⁻⁸). Ученые отмечают, что коловратки из класса Bdelloidea в целом отличаются относительно маленьким количеством транспозонов, в то время как у родственного им класса Monogononta транспозоны могут составлять половину генома.

Помимо наличия бактериальной метилтрансферазы, в геноме Bdelloidea увеличено число копий гена, кодирующего белок SETDB1. SETDB1 — метилтрансфераза, которая распознает нуклеотидные последовательности и метилирует гистоны, превращая их в H3K9me3 и H3K27me3. Авторы предполагают, что SETDB1 у коловраток из класса Bdelloidea мутировала и начала распознавать последовательности, содержащие 4mC-нуклеотиды. Скопление таких нуклеотидов рядом с областями генома, содержащими транспозоны, привело к «замалчиванию» таких областей, чем и объясняется сниженная частота встречаемости транспозонов в геноме Bdelloidea.

Ранее мы писали о том, как с помощью эпигенетических маркеров ученые предсказали максимальную продолжительность жизни китов и мамонтов, а также определили биологический возраст голых землекопов.

Наталья Кондратенко