Многоклеточные превратили случайную заминку при чтении ДНК в механизм синхронизации

В клетках млекопитающих и мух процесс транскрипции (считывание информации с гена) имеет странную особенность. Фермент РНК-полимераза II садится на ДНК, проходит 20-60 нуклеотидов и замирает, ожидая химической команды для продолжения. У одноклеточных организмов вроде дрожжей или бактерий такого строгого контроля нет, и их полимераза работает без остановок. Оставалось загадкой, в какой момент эволюции возникла эта «пауза» и какие молекулярные детали для нее понадобились.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Structural & Molecular Biology, попробовали восстановить хронологию событий. Для этого применили метод сверхточного картирования PRO-seq.

Ученые проанализировали работу полимеразы у 20 видов организмов, представляющих два миллиарда лет эволюции: от архей и кишечной палочки до грибов, морских анемонов и человека. Сравнительный анализ показал, что «протопауза» появилась еще у одноклеточных эукариот: фермент не останавливался намеренно, а просто буксовал на старте из-за физических препятствий на молекуле ДНК. У животных появляются новые белковые субъединицы комплекса NELF, которые превратили вялое скольжение в жесткую фиксацию.

Чтобы доказать функциональность этого «тормоза», авторы научной работы провели эксперимент на стволовых клетках мышей. Они генетически модифицировали их так, чтобы иметь возможность мгновенно разрушать белок NELF, и подвергли клетки тепловому шоку. В норме при перегреве срабатывает белок-командир HSF1: он экстренно снимает полимеразы с паузы, запуская лавинообразный синтез защитных веществ.

Однако в клетках с разрушенным тормозом спасательная операция провалилась. Без удерживающего фактора полимеразы не ждали сигнала на старте, а хаотично «просачивались» вперед по гену. Когда пришел сигнал тревоги, активировать было некого: ферменты разбрелись по дистанции, синхронного синтеза не получилось.

Как показало это исследование, механизм паузы работает как стартовые колодки для спринтера. Он позволяет держать гены в состоянии взведенной пружины, чтобы в нужный момент — при развитии эмбриона или стрессе — запустить их мощно и синхронно. Сложность многоклеточной жизни построена на усовершенствовании древних молекулярных ошибок.