История исследования мобильных генетических элементов берет начало в конце 40-х годов ХХ века, когда Барбара Мак-Клинток, изучая окраску семян кукурузы, впервые описала последовательности ДНК, способные самостоятельно «передвигаться» в геноме. Это открытие, принесшее Мак-Клинток Нобелевскую премию, нарушило существовавшее десятилетиями представление о статичности генома. К настоящему времени мобильные элементы обнаружены практически у всех видов организмов — от бактерий и дрожжей до растений и млекопитающих. (См. также: «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?» [1].)

Эти «прыгающие» (jumping) гены кодируют лишь белки, необходимые для собственного воспроизведения и перемещения. Впрочем, эти белки также могут быть «заимствованы» и другими семействами мобильных элементов, которые вовсе ничего не кодируют в своей последовательности ДНК. На протяжении многих лет почти ничего не было известно о функциях этих генетических элементов, которые были бы важны для всего организма. Поэтому мобильные элементы рассматривались как геномные паразиты, заслужив при этом обидное прозвище «мусорная», или «эгоистичная» ДНК.

Учитывая тот факт, что мобильные последовательности составляют значительную долю геномов многих организмов, возникает вопрос: зачем в ходе эволюции было сохранено столько «бесполезной» генетической информации? В последние годы появились убедительные доказательства того, что мобильные элементы — это не мусор, а настоящий клад для своих «хозяев»: перемещение «прыгающих генов» приводит к возникновению генетического разнообразия — необходимого условия эволюции [2]. Также они могут выполнять жизненно необходимые для клеток функции.

Около 45% генома человека состоит из различных мобильных элементов. Наиболее многочисленным из них является так называемый LINE-1 ретротранспозон. Последовательности LINE-1 составляют примерно 17% нашей ДНК. Это очень большая доля, учитывая, что чуть более 20000 белков человека закодировано менее чем в 5% ДНК. (См. также: «В полку генов убыло» [3].) LINE-1 ответственен более чем за миллион интеграций мобильных элементов в геном в процессе эволюции. Он активен и в настоящее время: примерно каждый двадцатый новорожденный имеет новую копию этого элемента в своей ДНК. Вследствие такой высокой активности LINE-1, практически каждый ген человека в ходе эволюции так или иначе подвергся его влиянию. Тем не менее, известно лишь немного о том как, когда и почему этот ретротранспозон перемещается в ДНК.

LINE-1 кодирует два белка, необходимых для своего распространения в геноме. Особенно интересен один из них, ORF1p. Этот белок связывается с РНК LINE-1, транскрибированной с его копии на хромосоме. Далее ORF1p, вероятно, участвует в импорте РНК LINE-1 в ядро, а также в последующей обратной транскрипции её в ДНК, вследствие которой происходит интеграция гена в новый участок генома. О том, как функционирует ORF1p, почти ничего не было известно, поскольку для него не найдено гомологов среди других белков.

«Жизненный цикл» ретротрансопозона LINE-1. РНК LINE-1 считывается с одной из копий элемента в геноме. Затем эта РНК экспортируется в цитоплазму. Здесь происходит трансляция обоих закодированных в ней белков, которые сразу связываются с этой же самой молекулой РНК. Образовавшийся РНК-белковый комплекс импортируется в ядро, где происходит обратная транскрипция и встраивание синтезированной ДНК LINE-1 в новый локус на хромосоме. Рисунок Натальина П., использованный в пресс-релизе на ScienceDaily [5].

Нам удалось показать, что ORF1p состоит из трёх частей. Одна часть ответственна за взаимодействие полипептидных цепей друг с другом таким образом, что образуется тример — комплекс из трёх одинаковых молекул белка. А две других части необходимы для связывания с РНК LINE-1. С помощью рентгеновской кристаллографии мы установили, что средняя часть ORF1p представляет собой RRM-домен (RNA recognition motif) [4]. Это открытие явилось неожиданностью, поскольку ранее считалось, что эта часть белка не имеет определённой структуры. RRM-домены часто встречаются в различных белках, — особенно в тех, что вовлечены в метаболизм РНК. Наличие RRM-домена объясняет способность ORF1p связывать LINE-1 РНК, а также позволяет изучить этот процесс на молекулярном уровне. (Структура RRM-домена белка ORF1p показана на картинке в заглавии.)

Используя полученные структурные данные, мы обнаружили RRM-домены и в белках ретротранспозонов многих других организмов, — в том числе у морской анемоны (Nematostella vectensis) и морского ежа (Strongylocentrotus purpuratus). Это указывает на очень древнее происхождение этих белков, а также самих ретротранспозонов, возникших, по-видимому, одновременно с первыми многоклеточными, и с тех пор играющих важную роль в эволюции видов.

С практической точки зрения изучение структуры ORF1p может быть полезно для создания векторов для генной терапии на основе LINE-1. Интегрируясь в геном, этот элемент может доставлять нужные гены в клетки. И поскольку LINE-1 является «родным» для организма, он практически безопасен. Таким образом, в будущем возможно применение молекулярных механизмов, используемых LINE-1, в медицине.