Складна регуляція генів у приматів виникла як наслідок боротьби геному проти ув'язнених в ньому мобільних генетичних елементів.
У людському геномі міститься всього 20-25 тис. генів, що кодують білки і деякі функціональні РНК, які можуть працювати самі по собі, без допомоги білків. Це не сильно відрізняється від того, скільки генів є, наприклад, у жаби, проте різницю між жабою і людиною пояснювати навряд чи потрібно. Значить, вся справа не стільки в кількості генів, скільки в їх взаємозв'язках один з одним. Тобто у людини (і у приматів взагалі) гени пов'язані більш складними регуляторними відносинами. І тоді виникає питання, що рухало ускладненням регуляції генетичної мережі біля приматів.
Відповідь на нього дають у своїй статті в Nature дослідники з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі (США). На їхню думку, рушійною силою, що ускладнила пристрій людського геному, стала боротьба з ретротранспозонами. Загалом транспозони - це такі специфічні ДНК-послідовності, які можуть копіювати самі себе в нові ділянки геному; тому ще називають мобільними генетичними елементами або «стрибаючою ДНК». Ретротранспозони являють собою транспозони, які копіюють себе через РНК-стадію: на ДНК синтезується кілька РНК-копій мобільного елемента, з яких потім відбувається «вчитування» ДНК-копій в інші ділянки геному. Вважається, що транспозони являють собою залишки стародавніх вірусів, які втратили здатність залишати господарську клітку, але все одно продовжують розмножуватися і перезаписувати себе в господарський геном.
Транспозон може ніяк не позначатися на самопочутті клітини, подорожуючи тими зонами ДНК, які нічого не кодують - в цьому випадку всього лише буде збільшуватися розмір геному. Рідко буває так, що транспозон виявляється корисним, якщо він якимось чином прихоплює з собою регуляторну послідовність, і вона починає впливати на ген, поруч з яким вбудувався транспозон. Але якщо мобільний елемент вторгається в кодуючу послідовність, то ген перестає працювати, як треба, і у клітини можуть початися великі неприємності. Мінуси від транспозонів переважують плюси, і тому природний відбір намагається нейтралізувати «стрибаючу ДНК».
У ссавців мобільні генетичні елементи становлять приблизно половину геному, і велика частина їх припадає якраз на ретротранспозони. Щоб тримати їх у вузді, клітина створює спеціальні механізми, які придушували б самокопіювання «стрибаючої ДНК». У свою чергу, транспозони намагаються обійти накладені на них обмеження. За великим рахунком, можна сказати, геном тут бореться сам з собою, адже мобільні елементи давно втратили багато вірусних властивостей: заразитися ними з боку не можна, з клітини вони вийти не можуть, так що це дійсно частина клітинної ДНК, правда, досить неслухняна.
У генетичній історії приматів можна виділити кілька етапів, коли «дія» з боку транспозонів народжувала «протидію» з боку клітини. Гени протидії транспозонам кодують білки, які пов'язують з ДНК там, де знаходиться транспозон, і не дають йому створювати власні копії. У нерухомому транспозоні з часом накопичуються мутації, які роблять його неактивним. Але білок-інгібітор зовсім не обов'язково відправляється в еволюційний утиль. Він може взаємодіяти з іншими білками, а, крім того, сидячи біля транспозону, він впливає на суміжні ділянки ДНК, де знаходяться справжні, потрібні гени. Тобто через «стрибаючу ДНК» виникає новий регуляторний вузол на основі білка, що заважає транспозону «стрибати».
Автори роботи досліджували велике сімейство KRAB-білків, здатних взаємодіяти з ДНК і придушувати транскрипцію, тобто синтез РНК на молекули ДНК. У геномі людини можна знайти 400 генів KRAB-білків, 170 з яких з'явилися вже після того, як примати виділилися в еволюції окрему групу. Зв'язуючись з ДНК, вони можуть впливати на активність інших генів, і, як вважають дослідники, таке потужне множення числа KRAB'ів біля приматів відбулося у відповідь на активність транспозонів. Ну а потім такі білки, в силу своєї мультизадачності, додали нових вузлів в регуляторну мережу генома приматів - можливості налаштування генів розширилися, і примати отримали свій еволюційний шанс.
Але це все припущення, і, щоб підтвердити їх, потрібно переконатися, що регуляторні білки приматів - ті ж KRAB - дійсно можуть придушувати роботу транспозонів, причому знову ж тих, які з'явилися у приматів. Девід Хаусслер (David Haussler) і його колеги поставили наступний експеримент: вони забезпечили ембріональні клітини миші ретротранспозонами взятими від людини. У мишачих клітинах людські транспозони ставали активними, і на них можна було випробовувати білки, які могли б їх придушити назад.
Виявилося, що два взятих для випробування людських KRAB-білка, ZNF91 і ZNF93, можуть відключати активність двох класів ретротранспозонів, члени яких або досі можуть «діяти активно» в клітинах приматів, або робили це донедавна. Коли дослідники спробували відновити еволюційну історію білків, виявилося, що ZNF91 придбав деякі структурні модифікації, що дозволяють йому впливати на «стрибаючу ДНК», близько 8-12 млн років тому (предки людей розійшлися з шимпанзе і горилами 7-8 млн років тому). Інший білок, ZNF93, дозволив побачити, як йшла «гонка озброєнь» між транспозонами і контролюючими їх білками. ZNF93 успішно пригнічує активність мобільних елементів певного класу, але не так давно (за еволюційними мірками) деякі з них втратили шматок ДНК - як легко здогадатися, регуляторний білок зв'язувався саме з цим ДНК-фрагментом. Втративши частину себе, ретротранспозони стали і гірше «стрибати», але зате пішли з-під дії переважних їх активність білків.
Можна зробити висновок, що гіпотеза отримала потужне, хоча і не вичерпне підтвердження - примати дійсно отримали в ході еволюції нові інструменти для управління геномом, які виникли як побічний ефект змагання між мобільними генетичними елементами і контролюючими їх білками. Білки KRAB мають здатність створювати нові різновиди самих себе і швидко поширюватися по геному, а оскільки транспозони і далі будуть намагатися звільнитися від їх впливу, то приматів, очевидно, чекає подальше ускладнення регуляторно-генетичних механізмів.