Геном содержит всю ДНК каждого живого организма, но его содержимое этим не ограничивается — большинство этих структур также содержат фрагменты ДНК, которые могут копировать и вставлять себя, «заражая» геном, увеличивая его размер. Почему именно это происходит, остается загадкой.
Исследователи создали новый вычислительный инструмент, который работает от предполагаемой наследственной точки и развивается до современного генома, чтобы отслеживать динамику вставки и удаления этих «прыгающих генов», известных как мобильные элементы.
Ученые из Университета штата Огайо, изучающие, как мобильные элементы, также называемые транспозонами или TE, могли со временем изменять функции генов, искали лучший способ проследить эту эволюционную историю, поэтому они создали симулятор, необходимый для выполнения этой работы.
«Во временном масштабе в миллионы или десятки миллионов лет активность транспозонов действительно плотная. Существует много-много вставок и делеций транспозонов в геном и из генома», — сказал старший автор исследования Шуджун Оу, доцент кафедры молекулярной генетики в штате Огайо.
«Мы хотим использовать следы этой деятельности для изучения того, что могло произойти в прошлом, потому что мы никогда не узнаем наверняка, но мы можем сделать вывод, что может иметь место с точки зрения активности транспозонов».
Их первоначальные результаты исследования грибковых геномов намекали на то, как всплески вставок TE сопровождались делециями, предполагая, что гриб сопротивлялся, чтобы подавить дальнейшие вставки.
Оу и его коллеги описывают симулятор PrintE сегодня (2 ноября 2026 г.) в журнале Nature Communications.
Геном кукурузы, пожалуй, самый известный пример влияния транспозонов на расширение генома: до 85% его генома состоит из прыгающих генов, сказал первый автор Кристофер Бенсон, научный сотрудник лаборатории Оу.
«Это крупные компоненты генома, которые, возможно, не обязательно оказывают заметное влияние, но они существуют. Они функционируют в фоновом режиме, и мы все еще пытаемся понять», — сказал Бенсон.
«Но одна вещь, которую они делают, — это сильно влияет на эволюцию размера генома, потому что они часто вставляются методом копирования и вставки. У вас есть оригинальная копия и дублированная копия. Так что, если вы проделаете это множество раз, вы получите действительно огромный геном».
Это явление известно как парадокс размера генома: растения с существенными различиями в размере генома функционируют одинаковым образом.
«Есть ли какая-то ценность в большем или меньшем геноме? Это парадоксально, потому что, если размер генома важен, растения с более крупным геномом должны иметь более реальную функцию или более сложную структуру», — сказал Оу. «Но при наблюдении этого не происходит».
Оу и Бенсон разработали PrinTE как усовершенствование предыдущего инструмента под названием TEGenomeSimulator, который обеспечивает моментальный снимок заражения генома транспозонами в определенный момент времени. Лаборатория Оу сотрудничала с новозеландскими создателями TEGenomeSimulator, которые являются соавторами статьи.
Тематическое исследование было сосредоточено на подразделении грибов, включающем вид миртовой ржавчины, чей геном расширился до 1 миллиарда пар оснований – огромного по грибным меркам – из-за вставок транспозонов. Начав с современного генома, команда реконструировала геном теоретического общего предка, выдвинула гипотезу о различных способах эволюции генома предка в нынешний геном и провела моделирование для проверки этих предсказаний.
«Мы будем играть в симулятор, чтобы попытаться создать современный гриб. Иногда требуются тысячи симуляций, чтобы найти тот, который лучше всего подходит, но это позволяет нам проверить те гипотезы, которые мы обычно рассматривали, но не рассматривали в полной мере», — сказал Бенсон.
Поскольку моделирование охватывает миллионы поколений эволюции, PrintE создала систему защиты, позволяющую обнаруживать и останавливать траектории, ведущие в неправильном направлении, чтобы максимизировать эффективность.
«Начать симуляцию — это все равно, что идти в темноте», — сказал Оу, — «потому что мы видим только результат, но не знаем, что произошло в прошлом. Могут даже быть моменты, когда мы идем в неправильном направлении. Поэтому мы используем машинное обучение, чтобы помочь нам идти в правильном направлении или приблизиться к правильному направлению».
Моделирование миртовой ржавчины показало, что скорость вставки TE была в 4–5 раз выше, чем скорость делеции, что приводило к чрезмерно большому геному, и за этими всплесками затем следовало снижение количества вставок, что является признаком ужесточения контроля над активностью TE.
«Это открытие предполагает, что вставленные TE в конечном итоге могут быть очищены хозяином, чтобы подавить их активность — это примерно то же самое, что иммунной системе требуется некоторое время, чтобы справиться с инфекцией», — сказал Бенсон.
«Один из основных выводов этой статьи заключается в том, что наиболее эффективный способ контролировать размер генома — это вообще не заразиться», — сказал Оу.
Он сказал, что эта работа обеспечивает золотой стандарт для понимания истории эволюции транспозонов и может однажды открыть дверь для спасения генома, чтобы замедлить активность TE или удалить TE у видов, борющихся за выживание.
Общедоступный инструмент уже использовался учёными, изучающими другие системы.
Исследование было поддержано Премией стартапов факультета образования STEM штата Огайо, постдокторской стипендией Министерства сельского хозяйства США, Национальным научным фондом США и Институтом биоэкономических наук в Новой Зеландии.
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может иметь характер на определенный момент времени и быть отредактирован для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
