Новое исследование показало, что дивергентная транскрипция, при которой один промотор направляет экспрессию двух соседних генов, ориентированных в противоположных направлениях, сохраняется на всех уровнях жизни.
Вопреки тому, что обычно описывается в учебниках по биологии, у бактерий и архей транскрипция в геноме может идти в противоположных направлениях. Это происходит благодаря двунаправленным промоторам - последовательностям ДНК, за которые могут цепляться РНК-полимеразы и двигаться то в одну, то в другую сторону для производства транскриптов мРНК. Такие промоторы встречаются не так уж редко: 19% всех сайтов начала транскрипции (transcription start sites - TSS) у Escherichia coli связаны с двунаправленным промотором, согласно исследованию, опубликованному в Nature Microbiology.
"Мы были очень удивлены", - говорит соавтор исследования Эмили Уорман, постдок по молекулярной микробиологии из Бирмингемского университета (Великобритания). Хотя предыдущие исследования описывали двунаправленные промоторы у эукариот, а также у нескольких видов бактерий и архей, новое исследование показывает, что дивергентная транскрипция - чтение генов в обоих направлениях - является широко распространенной особенностью, сохраняющейся во всех трех доменах жизни.
Двунаправленные промоторы в биологии
В эукариотических клетках ДНК обвивается вокруг белков гистонов и упаковывается в хроматин. Участки ДНК, не имеющие плотной спирали, доступны для РНК-полимеразы и других белков, необходимых для транскрипции. В некоторых случаях эти участки содержат два TSS, по одному на каждой нити ДНК, ориентированные в противоположных направлениях; эти TSS могут быть разделены сотнями или тысячами пар оснований. Ученые выявили эти типы двунаправленных промоторов в различных эукариотических клетках, от дрожжей до макрофагов мыши.
У бактерий нет гистонов. Но у некоторых из них есть гистоноподобный белок, структурирующий нуклеоид (H-NS), который связывается с ДНК и помогает сворачивать бактериальные хромосомы. В исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Genes & Development, ученые обнаружили, что у E. coli H-NS супрессирует промоторы, полученные в результате горизонтального переноса генов, который представляет собой передачу генетического материала между организмами вне репродукции. Интересно отметить, что многие из супрессированных H-NS промоторов были предназначены для некодирующих РНК и располагались в середине других генов.
Одной из первых задач Уорман, когда она была аспирантом в лаборатории Дэвида Грейнджера в Бирмингеме, было определение активности этих промоторов путем вставки их перед репортерным геном в плазмиду и измерения экспрессии полученного гена. "Большая часть информации, которую мы имели об этих регионах, не говорила нам, в каком направлении будет идти транскрипция", - говорит она. "Чтобы охватить все наши базы, я брала все эти регионы и вставляла их в обоих направлениях".
Удивительно, но многие фрагменты промотора проявляли активность в обоих направлениях, что означает, что один и тот же участок ДНК может стимулировать транскрипцию в обоих направлениях.
Чтобы выяснить, распространены ли двунаправленные промоторы в геноме E. coli, команда проанализировала ранее полученные данные по картированию TSSs. Они обнаружили 5292 расходящихся TSS, которые находились на расстоянии от 7 до 25 пар оснований друг от друга, но на разных нитях ДНК. Эти пары TSS составили 19% от всех TSS в E. coli. Наиболее распространенное расстояние между сайтами составляло 18 пар оснований - гораздо ближе, чем расстояния, наблюдаемые в эукариотических клетках. Такое близкое расстояние позиционирует промоторные элементы - последовательности ДНК, критически важные для привлечения РНК-полимеразы, - напротив друг друга на двух нитях ДНК. Таким образом, предполагают авторы, РНК-полимераза может прикреплять один и тот же участок ДНК в двух разных ориентациях и инициировать транскрипцию в любом направлении.
Двунаправленные промоторы включают два близко расположенных сайта начала транскрипции (TSS), по одному на каждой нити ДНК. Эти сайты находятся перед кодирующими участками генов. Исследователи обнаружили, что у E. coli такие TSS обычно разделены 18 парами оснований - расстояние, при котором элементы промотора, необходимые для привлечения РНК-полимеразы, располагаются напротив друг друга на двух нитях ДНК. Рис. THE SCIENTIST STAFF
Далее они изучили TSS у большего числа видов бактерий и обнаружили, что расходящиеся пары встречаются довольно часто. У протеобактерий и актинобактерий пары TSS обычно находились на расстоянии 18 или 19 пар оснований друг от друга. Исследователи также изучили ранее опубликованные карты TSS для двух видов архей и обнаружили множество расходящихся пар TSS.
"Двунаправленная транскрипция характерна и для эукариот, но, что важно, эта работа показывает, что механизм у бактерий отличается от механизма у эукариот", - отмечает Сет Дарст, биофизик из Рокфеллеровского университета.
В исследовании 2018 года, опубликованном в журнале BMC Genomics, ученые сообщили об аналогичной находке у Pseudomonas aeruginosa, патогена, вызывающего инфекции у людей. Они обнаружили 105 пар TSS на противоположных нитях, расположенных ровно в 18 парах оснований друг от друга.
"Мы просто посмотрели на Pseudomonas, нашли их и подумали, что это необычно", - говорит Питер Унрау, биохимик из Университета Саймона Фрейзера в Британской Колумбии и соавтор исследования 2018 года. "Оказывается, они есть везде среди бактерий и архей - и это действительно здорово".
Двунаправленная регуляция генов
Авторы предполагают, что двунаправленные промоторы могут обеспечить согласованную регуляцию генов, работающих в противоположных направлениях. Например, транскрипционные факторы, связывающие промоторную область, могут одновременно модулировать экспрессию двух соседних генов. Молекулярные детали этой и других потенциальных форм РНК-зависимой регуляции пока остаются открытыми вопросами, говорит Унрау.
В исследовании, опубликованном в 2019 году в Nature Microbiology, Шиксин Лю, биофизик из Рокфеллеровского университета, и его коллеги сделали дополнительное открытие о транскрипции в E. coli: некоторые конвергентные гены, идущие навстречу друг другу, имеют общий двунаправленный терминатор транскрипции.
Бактерии имеют относительно компактные геномы, говорит Лю. "Эти [двунаправленные элементы], похоже, являются способом кодирования более сложных регуляторных функций в их маленьких геномах, так что один промотор может управлять двумя дивергентными генами, или один терминатор может одновременно управлять двумя конвергентными генами".
Преобладание двунаправленных промоторов может быть примечательным для биотехнологических приложений, где ученые стремятся использовать эффективные промоторы для создания генных продуктов, говорит Уорман. "Я думаю, это то, о чем должен знать каждый, кто интересуется экспрессией генов".
