Регуляторные генетические элементы помогли рыбкам отрастить новые плавники

Исследователи обнаружили новые нуклеотидные последовательности, которые помогают рыбам восстанавливать поврежденные плавники и другие части тела, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science . Для этого ученые исследовали рыбок данио ( Danio rerio ) и нотобранх Фурцера ( Nothobranchius furzeri ), которые способны к регенерации. Среди последовательностей, которые были активны у каждой из рыб во время восстановления тканей, оказались и регуляторные: изменения в них нарушили регенерацию нотобранха. Не все позвоночные могут регенерировать ткани: эта функция у разных видов менялась в процессе эволюции. Например, костные рыбы могут восстанавливать даже желудочки сердца и спинной мозг, в то время как большинство млекопитающих вовсе не способно к регенерации. Регенерация, поэтому, — морфологически неоднородный признак. Морфологические различия, в свою очередь, могут объясняться не только разными генами, но и разной активностью одних генов. При этом сами гены занимают небольшую часть генома (например, у человека — всего два процента), а среди оставшихся последовательностей много энхансеров — генетических элементов, которые стимулируют работу соответствующих генов. Изучить то, какие гены и энхансеры отвечают за регенерацию рыб, решили биологи из Института медицинских исследований имени Стоуэрса под руководством Алехандро Алварадо (Alejandro Alvarado). Исследование провели на примере рыбок данио рерио ( Danio rerio ) и нотобранх Фурцера ( Nothobranchius furzeri ): эти два вида разделились 230 миллионов лет назад. Чтобы выяснить, какие последовательности, связанные с регенерацией, сохраняются в процессе эволюции, а какие — характерны для отдельных видов, ученые сравнили активность генетических элементов двух рыб. Активность генов исследовали при помощи методов ChIP-seq и RNA-seq — они основаны на секвенировании ДНК. Для ChIP9-seq геном фрагментируется, и из него выделяются только те последовательности, которые связаны с белками-метками активной ДНК. Чтобы отделить ДНК, связанную с этими метками, используют шарики, покрытые антителами к метке. Последовательность «прилипает» к шарику вместе с белком, а остальные фрагменты генома смывают. Все выделенные последовательности секвенируют. При RNA-seq секвенируют не ДНК, а РНК. В результате получают только последовательности, которые были активны во время выделения нуклеиновых кислот из клеток. Оказалось, что совпадающих генов у рыбок не так много: меньше половины всех активных генов для каждого вида (p = 6,2 × 10 -98 ). Это свидетельствует о том, что механизм регенерации сильно изменился в ходе эволюции. Ученые выбрали один из общих генов двух рыбок ( inhba ) и проанализировали его активность у млекопитающих: у способной к регенерации каирской мыши ( Acomys cahirinus ) и у домовой мыши ( Mus musculus ), которая не может восстанавливать свои ткани. Для этого взяли взяли данные из других исследований: оказалось, что ген inhba после повреждения уха был активен у каирской мыши, но не у домовой. Среди активных во время регенерации последовательностей оказались не только гены. Ученые обнаружили энхансер, который регулирует работу гена inhba . Они удалили эту последовательность из генома нотобранха, и это привело к нарушению хвостовой и сердечной регенерации. Тогда энхансер нотобранха заменили на аналогичную последовательность из человеческого генома, что также препятствовало регенерации. Полученные данные показывают, как изменения в регуляторной последовательности повлияли на активность одних и тех же генов и способность к регенерации. Исследователи заключили, что на возможность восстанавливать свои ткани разных позвоночных значительно влияют не только сами гены, но и их энхансеры. Кроме того, в ходе эволюции сохранились лишь немногие гены, которые работают во время регенерации — и в основном они видоспецифичны. На данио рерио часто изучают процесс регенерации. Например, ученые вывели линию трансгенных рыбок, у которых все клетки покровного эпителия имели свой цвет. Клетки испускали красный, зеленый и синий цвета в случайных комбинациях из-за синтеза флуоресцентных белков. Так исследователи получили возможность наблюдать за каждой конкретной клеткой во время восстановления ткани. Анна Муравьева