Китайські біологи описали механізм, за допомогою якого в процесі еволюції ділянки ДНК, які кодують довгу некодуючу РНК (тобто з якої не синтезується білок), породжують функціональні гени. Це мутація ділянки, яка дає змогу утвореній з неї РНК покидати ядро клітини. Як показали досліди на тваринах, описані в журналі Nature Ecology & Evolution, схожа історія могла статися з геном, який залучений до розвитку великого мозку у людей — колись він не кодував білок і міг взагалі не виконувати функцій, але завдяки мутації став корисним функціональним геном.
Sangharsh Lohakare / Unsplash
Що це за РНК?
Як відомо, гени кодують білки, потрібні для роботи клітин і всього організму. Однак на шляху від гена до його білка перебуває РНК. Спочатку з відповідної частини ДНК, яка в еукаріот перебуває у ядрі, передається інформація про первинну структуру білка на матричну РНК (мРНК). Потім остання виходить з ядра у цитоплазму і несе інформацію про відповідну послідовність до органел рибосом, де власне синтезується на її основі білок.
Але не всі гени були такими завжди. Деякі в минулому передавали інформацію на довгі некодуючі РНК (днРНК), з яких не синтезуються білки і які, можливо, взагалі не мали функцій, а потім мутації зробили їх функціональними та корисними достатньо, щоб вони закріпилися в геномі. Це показує нова робота науковців Пекінського університету, які визначили, що ген, завдяки якому у людей виростає великий мозок, теж колись був безкорисною нуклеотидною послідовністю.
Звідки такі ідеї про походження генів?
Дослідники звернули увагу, що деякі гени у людей дуже нагадують послідовністю ділянки ДНК у макак, які транскрибуються в днРНК. Такі РНК значною мірою скупчуються всередині ядра, не покидаючи його, на відміну від мРНК. Тож вчені використали можливості штучної нейромережі, щоб віднайти відмінності між цими РНК, які пояснили б, чому одні покидають ядро краще за інших. Аналіз вказав, що річ у ділянці ДНК з назвою U1. У генів, які справді кодують білок, вона має мутацію, завдяки якій наступна РНК здатна успішно покидати ядро й потрапляти до рибосом. Натомість в ділянок днРНК цей фрагмент ускладнює вихід у цитоплазму.
Відтак науковці порівняли гени у людей і наших найближчих живих родичів шимпанзе із ділянками геному днРНК в макак — віддаленіших родичів людей. Так виявили 74 гени у людей і шимпанзе, які виникли з ділянок днРНК, зокрема завдяки мутації в U1, після відділення від спільного еволюційного шляху з макаками. Із них 45 генів знайдені винятково в людей, тобто є ще більш раннім надбанням. Деякі з них активно експресуються у мозку, тож вчені припустили, що вони могли відіграти роль у появі унікально розвиненого мозку людей.
Як ці гени вплинули на мозок насправді?
Один із генів, ENSG00000205704, високо експресується під час розвитку людського мозку в утробі та органоїдів кори головного мозку в лабораторії. Вчені вирішили перевірити, що станеться, якщо експресію гена заблокувати або ж посилити. При посиленні експресії органоїди виростали більшими, ніж контрольні, а при її блокуванні — меншими. Отже, ген, який виник у людей із непотрібної в наших предків приматів ділянки ДНК, міг посприяти появі великого мозку.
Науковці додатково перевірили припущення в дослідах на мишах. Тварини, яких генетично модифікували таким чином, щоб посилити експресію ENSG00000205704, виростали з більшим мозком, ніж їхні немодифіковані родичі. Потрібні наступні дослідження, щоб перевірити результати та з'ясувати, які ще зміни, окрім змоги покидати ядро, сприяють перетворенню некодуючої ДНК в ген.