Происхождение биологической жизни на Земле — это одна из главных загадок науки. Ещё интереснее то, как микробы начали работать вместе и стали первыми сложными многоклеточными существами, вроде кишечнополостных, типа ныне живущих медуз и гребневиков. Согласно теории Эволюции, эти древнейшие животные появились около 740-520 миллионов лет назад и стали первыми, у кого появились разные типы тканей. Переход от простых колоний клеток к организмам с разными функциями клеток — это ключевой момент в эволюции. Но что сделало этот переход возможным?
Новое исследование говорит, что дело не в появлении новых генов, а в усложнении их регуляции. Учёные выяснили, что важный шаг — это изменение структуры ДНК, то есть как разные её участки взаимодействуют друг с другом. Это связано с тем, как ДНК упаковывается внутри ядра клетки в трёхмерную структуру, называемую хроматином. Благодаря этому удалённые участки ДНК могут сближаться и вместе управлять активностью генов. Именно эта структура, по мнению исследователей, позволила клеткам создавать разные типы тканей.
Чтобы лучше понять это, давайте вспомним основы. Геном у всех клеток одного организма одинаковый, но ткани разные из-за активности разных участков ДНК. Запуск гена происходит в его начале, где специальные белки включают или выключают его работу. У одноклеточных всё просто, а у многоклеточных нужно, чтобы разные клетки использовали одни и те же гены по-разному, создавая разные белки для разных тканей.
Когда клетка становится специализированной, один и тот же ген может выполнять разные функции в зависимости от того, с какими белками он взаимодействует. Но одного начала гена недостаточно. Эволюция добавила удалённые участки ДНК — энхансеры. Эти участки не кодируют белки, но управляют активностью генов на расстоянии, связываясь с белками-регуляторами. Благодаря энхансерам один и тот же ген можно использовать в разных клетках без дублирования в геноме.
Как же энхансеры влияют на работу генов? Секрет в трёхмерной структуре хроматина. ДНК обёрнута вокруг белков и образует петли, которые сближают удалённые участки. Эти петли помогают энхансеру подойти к началу гена и активировать его. Образование петель происходит благодаря белкам, которые «вытягивают» участок хроматина до встречи с ограничивающим белком. Этот процесс требует энергии, но позволяет точно управлять работой генов.
Учёные из Центра геномного регулирования в Барселоне обнаружили, что трёхмерная структура генома появилась у древнейших многоклеточных животных. Они сравнили геномы многоклеточных (кишечнополостные, гребневики, губки, плакозои) с одноклеточными родственниками. У многоклеточных были найдены тысячи петель, связывающих регуляторные элементы с активными генами, а у одноклеточных таких структур не оказалось. Это подтверждает, что пространственная регуляция генов появилась на заре эволюции животных.
Для анализа они использовали метод Micro-C, который позволяет увидеть, какие участки ДНК находятся близко друг к другу в ядре клетки. После химической фиксации и расщепления ДНК их секвенируют, чтобы понять, какие последовательности контактируют чаще всего. В результате получается детальная карта трёхмерной структуры генома. Этот метод лучше всего работает для организмов с компактными геномами.
Результаты показали, что у видов с маленькими геномами, например, у гребневиков, до 60% контактов хроматина приходится на петли. У одноклеточных таких структур нет. Это значит, что появление этих механизмов позволило клеткам использовать одни и те же гены разными способами, что стало основой для формирования разных типов тканей. Без этого многоклеточная жизнь в таком виде была бы невозможна.
Учёные также отмечают, что трёхмерная организация генома — это не единственный фактор, который усложнил жизнь. Важную роль сыграли расширение геномов, появление новых белков и развитие межклеточных сигналов. Но пока неизвестно, какие белки создают петли у простейших животных, поскольку классического CTCF у них нет. Возможно, похожие функции выполняют другие белки, а энхансеры служат дополнительными точками для связывания белков-регуляторов. Более чёткое разделение регуляторных областей, характерное для позвоночных, могло появиться позже — у двусторонне симметричных организмов.
Эксперты считают, что выводы исследования убедительны. Они согласуются с наблюдениями на млекопитающих, где петли между энхансерами и началами генов также играют ключевую роль. Однако для окончательного подтверждения гипотезы нужно больше данных по разным видам. Современные медузы и гребневики могут отличаться от своих древних предков.
Главный вывод весьма прост: когда геном научился скручивать ДНК так, чтобы нужные регуляторы и гены могли взаимодействовать, это стало мощным инструментом для усложнения жизни. Из одного набора генов стало возможно создавать разные типы клеток, тканей и органов. Этот переход в регуляции заложил основу для биологического разнообразия.
Интересно, что подобные изменения могли возникнуть у одноклеточных предков. Для этого не понадобилось добавлять новые гены — достаточно было изменить способы их организации и использования. Это означает, что эволюция не всегда требует появления новых генов, иногда достаточно по-новому использовать уже существующие. Исследование также помогает лучше понять, как развивается жизнь и какие пути она может выбрать на других планетах.