Исследования на мышах и людях выявили удивительную роль этих копируемых и вставляемых фрагментов ДНК.
При рождении ребенка требуется много дополнительной крови - примерно на 20% больше эритроцитов к концу 9-го месяца, чтобы поддерживать развивающийся плод и питающую его плаценту. Это увеличение частично контролируется гормонами, но исследователи до сих пор не знают, как именно люди и другие млекопитающие увеличивают количество крови. На днях в журнале Science исследовательская группа предложила удивительное объяснение: беременность пробуждает древние, похожие на вирусы элементы в геномах млекопитающих, вызывая иммунный ответ, который запускает производство крови. Результаты исследования, основанные на генетическом анализе стволовых клеток мышей и людей, указывают на еще одну полезную роль последовательностей ДНК, которые, как считалось ранее, не имеют никакой полезной функции.
«Это действительно революционное открытие», - считает Гюнтер Вагнер, эволюционный репродуктивный биолог из Йельского университета, который не принимал участия в работе. Хотя исследователи уже давно знают об этих вирусоподобных последовательностях, известных также как транспозоны или прыгающие гены, новое исследование предполагает, что они используются организмом для запуска воспаления в качестве способа управления физиологическими функциями, добавляет он. «На самом деле это очень интересная перспектива».
Транспозоны - это генетические последовательности, которые могут копировать и вставлять сами себя и на их долю приходится почти половина человеческого генома. Хотя большинство из них были инактивированы в разные периоды истории млекопитающих, некоторые продолжают "прыгать", создавая большие регионы повторяющихся последовательностей и мутаций, которые иногда оказываются опасными, когда места вставки находятся в генах человека. Транспозоны не являются «нежелательной ДНК», которую биологи годами пытались заклеймить, но теперь их связывают с регуляцией экспрессии генов, созданием нового генетического разнообразия и, возможно, даже с эмбриональным развитием.
Группа исследователей, обнаружившая эту находку у беременных, не ставила перед собой задачу изучать транспозоны. Шон Моррисон, биолог стволовых клеток, директор Детского медицинского центра при Юго-Западном медицинском центре Техасского университета, и его коллеги продолжали работу, показавшую, что эстроген, уровень которого повышается во время беременности, заставляет стволовые клетки в селезенке размножаться и превращаться в эритроциты. Чтобы "копнуть глубже", соавтор исследования Джулия Фан, аспирантка из лаборатории Моррисона, сравнивала экспрессию генов в стволовых клетках крови беременных и небеременных мышей.
В своем анализе Фан решила не отбрасывать активность транспозонов, что является стандартным шагом во многих исследованиях. «Это было невероятной удачей», - рассказывает Моррисон, поскольку она обнаружила «массивную активацию» подмножества прыгающих генов, известных как ретротранспозоны, в клетках кроветворения селезенки и в меньшей степени в костном мозге, где обычно производится кровь. «Это вызвало вопрос... могут ли [ретротранспозоны] действительно что-то делать [в этих клетках]?», - объясняет Моррисон.
Авторы обнаружили, что стволовые клетки реагируют на появление ретротранспозонов экспрессией ключевых белков, участвующих в противовирусном иммунном ответе, что, в свою очередь, заставляет эти клетки размножаться и, в некоторых случаях, превращаться в эритроциты. У мышей, у которых отсутствовали ключевые иммунные гены, не наблюдалось такого резкого увеличения количества эритроцитов во время беременности, как и у животных, получавших препараты, известные как ингибиторы обратной транскриптазы, блокирующие фермент, с помощью которого ретротранспозоны копируют и вставляют себя.
Обратившись к людям, исследователи проанализировали стволовые клетки, присутствующие в образцах крови около дюжины беременных женщин, и обнаружили, что они, как правило, обладают более высокой активностью ретротранспозонов по сравнению с клетками женщин, не вынашивающих ребенка. Когда исследователи изучили кровь шести беременных, принимающих ингибиторы обратной транскриптазы для лечения ВИЧ, которые используют тот же фермент, что и ретротранспозоны, они обнаружили, что во время беременности у этих женщин наблюдалось падение уровня гемоглобина, и все они стали анемичными. Полученные результаты указывают на новый фактор производства эритроцитов и возможную причину анемии у некоторых людей, отмечает Сант-Рейн Пасрич, гематолог и молекулярный биолог из Института медицинских исследований Уолтера и Элизы Холл, который не принимал участия в работе. Однако он предупреждает: «Важно, чтобы другие исследователи повторили и подтвердили эти результаты в различных клинических ситуациях», прежде чем они смогут быть применены в медицине.
Соавтор исследования Альпаслан Тасдоган, дерматолог из Университетской клиники Эссена, планирует провести более масштабное клиническое исследование, чтобы узнать больше об изменениях ретротранспозонов во время беременности и о том, как помочь людям, страдающим анемией. «Появляются ли [ретротранспозоны] сразу после беременности? Или они появляются позже? ... Этого никто толком не знает».
Пока неясно, что именно в беременности пробуждает транспозоны, говорит Паоло Мита, молекулярный биолог из NYU Langone Health, который не принимал участия в работе. Одна из зацепок может быть связана с тем, как упакована ДНК в стволовых клетках крови, которая изменялась, когда мыши беременели или получали эстроген, показали исследователи. Многократное взятие большого количества крови у небеременных мышей также пробуждало ретротранспозоны в стволовых клетках крови, что указывает на то, что беременность не является единственным пусковым механизмом.
Несколько исследователей заявили, что удивительно, что беременные млекопитающие эволюционировали, полагаясь на активность ретротранспозонов, которые, в конце концов, могут вызывать мутации в клетках хозяина. Моррисон предполагает, что организм может каким-то образом блокировать эти вирусоподобные последовательности от повторного встраивания в человеческую ДНК или активировать ретротранспозоны только в некоторых стволовых клетках.
Какими бы ни были конкретные механизмы, Моррисон и Тасдоган предполагают, что эти элементы играют полезную роль не только в кроветворении и могут внести большой вклад в формирование тканей всего организма - эта идея уже изучается другими исследовательскими группами. Моррисон призывает ученых не игнорировать прыгающие гены в своих анализах. «Я думаю, что они обнаружат, что ретротранспозоны включаются и в других видах стволовых клеток».
