Індукована стресом реазонація транспозону: медіатор або оцінювач алостатичного навантаження?

Даніель Натт, Анніка Торселл, стрес-індукована реазонація транспозону: медіатор чи оцінка алостатичного навантаження ?, Епігенетика навколишнього середовища, том 2, випуск 3, серпень 2016 р., Dvw015, https://doi.org/10.1093/eep/dvw015

Анотація

Транспозони відіграють важливу роль в еволюції еукаріотичних геномів. Ці ендогенні вірусоподібні елементи часто ампліфікуються в межах своїх геномів-господарів специфічним для виду способом. Сьогодні ми мало розуміємо, коли і як відбуваються ці події посилення. Що ми знаємо, це те, що клітини розвинули безліч захисних сил, щоб тримати ці потенційно інвазивні елементи під контролем, часто залучаючи епігенетичні механізми, такі як метилювання ДНК та модифікація гістону. Нові дані свідчать про сильний зв’язок між активністю транспозону та старінням людини та захворюваннями, а також роль транспозонів у нормальному розвитку мозку. Отже, контроль активності транспозону може підтримувати точний баланс між здоров'ям та захворюваннями. У цій статті ми досліджуємо цей баланс і встановлюємо його стосовно аллостатичного навантаження, яке осмислює зв’язок між стресом та “зносом” організму, що призводить до старіння та хвороб. Ми припускаємо, що реактивізація ретротранспозону, спричинена стресом, у людини може бути використана для оцінки алостатичного навантаження і може бути можливим механізмом, при якому транспозони посилюються в геномах видів.

Вступ

З тих пір, як концепція стресу була вперше серйозно використана Гансом Сельє в 1950-х, це стало суперечкою. Класичним прикладом одного з цих суперечок є те, як наші тіла реагують на поїздку на американських гірках: у вас виникають страхи або трелі, артеріальний тиск підвищується, частота серцевих скорочень збільшується, а вісь HPA вивільняє кортизол у кров. Типові симптоми стресової реакції, але чи було це стресовим досвідом? Вам було погано? У спробі вирішити цю проблему Селі ввів слова eustress і distress, просто означаючи позитивний та негативний стрес [1].

Представляючи переносимий елемент

Хороша сторона: транспозони та еволюція

Хоча раніше їх часто називали "сміттям", "егоїстичною" або "паразитичною" ДНК, сьогодні транспозони, як відомо, відіграють важливу роль в еволюції генів, не тільки завдяки внесенню сировинного генетичного матеріалу, але також і для передачі функціональних елементів, таких як промотори та енхансери, а також як мутагенні драйвери генних нокаутів, гомологічної рекомбінації та нових ізоформ генів та варіантів сплайсингу [15, 16]; модифікації, які іноді впливають на фізичну форму [8]. У дрозофіли, за оцінками, вставки транспозонів становлять приблизно половину всіх спонтанних мутацій, що викликають фенотип [17].

Розширюючи перспективу, можна стверджувати, що різноманітність транспонтованих елементів принаймні кількісно позначає видові відмінності краще, ніж набагато більш генетично збережені гени. Насправді між 40-50% геному людини походить від ретротранспозонів (набагато менше ДНК-транспозонів), що можна порівняти з 1,5%, що кодує білки [14, 18]. Ця величина є результатом нещодавніх або триваючих подій ампліфікації геному, коли певні типи транспозонів відновлюються в зародковій лінії певних класів, сімейств, видів або навіть штамів видів. Це найкраще описати на кількох прикладах.

Крім того, клас автономних ретротранспозонів LINE є особливо цікавим в еволюції ссавців, оскільки він є дуже активним у більшості ссавців, але не у кажанів, у яких він вимер [26]. Причина цього недостатньо зрозуміла, але кажани також є генетично унікальними, оскільки вони є єдиним порядком ссавців, що демонструє активні ДПО-транспозони, з яких деякі однозначно зустрічаються у кажанів та комах (але не у інших ссавців) [27, 28]. Це доводить дивовижні явища горизонтального перенесення генів між типом, можливо, між хижаком та його здобиччю. У інших хребетних спостерігалися подібні переноси генів, такі як ретротранспозон AviRTE між видами птахів та патогенними ендопаразитарними нематодами людини [29], а у випадку ретротранспозону BovB - між різними групами хребетних та кліщами, які паразитують на них [30].

Наведені вище приклади ілюструють лише декілька різних аспектів того, як транспозони сприяють еволюції зародкових ліній шляхом генетичного різноманіття та посилення в межах видів, а іноді і горизонтальних переносів між видами. Хоча всі ці аспекти, доки вони тримаються під певним контролем, здаються корисними для еволюції видів, як буде розглянуто нижче, існує компроміс між еволюційністю популяцій та ризиком захворювань у особин.

Погана сторона: контроль ретротранспозонів, щоб уникнути захворювань

«Стрибки» транспозонів також можуть становити загрозу для клітини. Ризик викликати дезадаптивні геномні зміни, такі як вибивання важливих генів або їх регуляторних областей, неминучий, коли транспозони активні. Відомо, що щонайменше 50 захворювань людини негайно викликаються вставками ретротранспозону у важливі ділянки геному зародкової лінії [15, 31]. Коли транспозиція стає занадто високою, це призводить до нестабільності геному, де цілісність геному порушується, що призводить до більш високого ступеня анеуплоїдії, хромосомних перебудов та пошкодження ДНК [32, 33]. Коли в зародковій лінії виникає нестабільність геному, це часто призводить до безпліддя [34], але це також часто спостерігається в соматичних клітинах пухлини [32] або клітинних лініях, отриманих із ракової тканини [35].

Щоб зберегти геноми цілими, здорові клітини дуже жорстко контролюють експресію транспозонів. Насправді, безліч можливих шляхів утримання мовчазних елементів, що підлягають транспортуванню, може бути наслідком ризиків, пов’язаних із втратою контролю. По-перше, існують посттранскрипційні механізми, які можуть інгібувати транспозицію або відразу після транскрипції, через шляхи, пов'язані з мікро-РНК [36], або так звані PIWI-взаємодіючі РНК (piRNA), а також через білки, які націлюються і репресують РНК ретротранспозону та/або специфічні для транспозону ферменти, такі як зворотна транскриптаза [37–42]. По-друге, епігенетичні механізми мовчання, такі як метилювання ДНК, репресивні модифікації гістонів та АТФ-залежне ремоделювання хроматину, відіграють важливу роль у контролі транспонтованих елементів [34]. Для прикладу того, як клітини контролюють активність транспозону, ми зосередимося на двох механізмах: [A] швидко розвиваються Крюппель-асоційована коробка (KRAB) цинкові пальчикові білки (KZNF) та [B] піРНК.

Як і у KZNF, піРНК з’являються в геномних кластерах, але транскрибуються РНК-полімеразою II як одноцепочечна одиниця попередника [49]. Ці попередники сотень нуклеотидів обробляються і транспортуються назад до ядра, де вони стають зрілими піРНК з 26–31 нуклеотидів. Подібно до білків цинкового пальця KRAB, піРНК використовуються в якості напрямних для пошуку специфічних для транспозону послідовностей, а взаємодіючи з PIWI-подібними білками сімейства, такими як MILI, MIWI та MIWI2, вони можуть замовчувати ці транспонуючі елементи [50, 51], викликаючи ДНК метилювання [52] або посттранскрипційне замовчування генів [53, 54]. Початкові висновки свідчили про те, що піРНК винятково контролювала транспонсовані елементи в чоловічій зародковій лінії як спосіб контролю активності транспозону під час епігенетичного перепрограмування зародкової лінії, коли епігенетичне мовчання майже повністю скасовано [55, 56]. Пізніші результати виявили потенційну роль також у соматичних типах клітин, таких як нейрони [57–59].

Складна сторона: транспозони при соматичних захворюваннях та нормальний розвиток

Транспозони можуть бути проблемою не тільки в зародковій лінії або соматичних пухлинах, але й в інших соматичних клітинах. Одним із цікавих прикладів є нещодавні дані щодо кількох аутоімунних захворювань, таких як синдром Айкарді-Гутьєра, вовчак чилбеніна та системний червоний вовчак, де мутації гена TREX1 можуть спричинити порушення механізму вродженої імунної системи, що сприймає екзогенну зворотну транскрипцію, що призводить до помилкове виявлення ендогенних ретротранспозонів, як ніби це екзогенні ретровіруси [40, 60]. Якщо ретротранспозони відіграють роль в інших аутоімунних захворюваннях, це ще слід дослідити. Тим не менше, ці аутоімунні захворювання ілюструють цікавий компроміс в еукаріотичній еволюції; між здатністю переносити ендогенні ретротранспозони та виявленням вторгнення ретровірусів.

Хоча старіння можна розглядати як збільшення слабкості із пов'язаним із цим загальним збільшенням ризику багатьох захворювань, є також приклади конкретних соматичних захворювань, пов'язаних з реактивацією ретротранспозону. Наприклад, нещодавно було показано, що кількість копій L1 було підвищено в префронтальній корі померлих пацієнтів із шизофренією, біполярним розладом та великою депресією [75]. Це особливо цікаво, оскільки активно ділиться нервові клітини-попередники в областях головного мозку з високим рівнем пластичності нейронів (таких як префронтальна кора, гіпокамп та хвостате ядро) показали вищу активність ретротранспозонів порівняно з багатьма іншими соматичними тканинами [76, 77]. Це породило ідею, що генетичний мозаїцизм, зумовлений реактивацією ретротранспозону, може зіграти певну роль у створенні нервового різноманіття в цих регіонах, що може бути критично важливим для навчання та пам'яті.

Паралель знову можна побачити у дрозофіли, де малі шляхи РНК, що контролюють експресію транспозонів, репресуються в нейронах тіла гриба, про які відомо, що вони беруть участь у навчанні та пам'яті, але не в інших типах нервових клітин, що призводить до збільшення експресії транспозонів цього типу нейрона [78]. Щоб повернутися до дискусії щодо старіння, ті самі шляхи додатково репресуються у старіння мухи [73]. Це вказує на збережену роль транспонуваних елементів у залежному від віку нейророзвитку та пластичності, які можуть контролюватися малими РНК. Нові знахідки функціональної піРНК у мозку ссавців [57–59] та втрати приглушення ретротранспозону при вікових нейродегенеративних розладах, таких як хвороба Альцгеймера [79], підтверджують це, але це також додає ще один рівень складності ролі, яку відіграють ретротранспозони в мозок. З одного боку, активність транспонтованих елементів необхідна для нормального розвитку мозку, а з іншого боку занадто велика активність пов'язана зі старінням та хворобами.

Індукована стресом реазонація транспозону

Для вирішення цих питань нам потрібно вивчити прямий зв’язок між стресом та реактивацією ретротранспозону. У рослин ця взаємозв'язок стала зрозумілою з тих пір, як Барбра Макклінток відкрила свої "гени, що стрибають" у кукурудзі [9, 81], але у ссавців, а точніше у людей, це навряд чи взагалі вивчалося. Не зовсім недавно. Ми використали секвенування наступного покоління для вивчення того, як хронічно високі рівні кортизолу (виміряні у волоссі) у здорових 5-річних дітей впливають на метилювання ДНК цілого геному, і виявили, що це призвело до загальної втрати ДНК-метилювання в ретротранспозонах клітин крові [7]. Ця знахідка є особливо важливою, оскільки є перспективною неупередженою. Не було різниць у віці, захворюваннях або навіть стресі (вимірюваному впливом серйозних життєвих подій), які могли б вплинути на результати, лише взаємозв'язок між хронічно підвищеним рівнем системного кортизолу, спричиненого або еустресом, або дистресом, та втратою епігенетичного мовчання в ретротранспозони. Крім того, регіони, де діти з високим рівнем кортизолу втратили метилювання ДНК, збагачувались для місця зв'язування "воротаря" KZNF (ZNF263), що вказує на можливий механізм втрати [7].

Цікава паралельність гострому та хронічному стресу спостерігається у мозку мишей, яким вводять гострі та хронічні ін’єкції наркотичних засобів. Як кокаїн, так і морфін при хронічному введенні гризунам призводять до глобальної втрати репресивних міток гістонів у рухливих елементах, що іноді супроводжується більшою активністю ретротранспозонів [87–89]. Як і при гострому стресовому впливі, H3K9me3 демонструє сильний протилежний зв’язок після гострої ін’єкції кокаїну [89]. Таким чином, хоча H3K9me3 чутливі до попереднього впливу, інші репресивні знаки гістонів, такі як H3K9me2, здається, завжди зазнають глобальних втрат після стресу або впливу наркотиків, незалежно від попереднього впливу.

Через часову складність регуляції ретротранспозону, для майбутніх досліджень критично важливо зосередитись на довгострокових наслідках стресу, оцінивши кількість успішних транспозицій після хронічного впливу внутрішніх або зовнішніх обмежень (наприклад, стримуючий стрес, соціальна поразка, вплив наркотиків) . Це було зроблено на моделях пренатального та постнатального стресу на тваринах, які викликають у нащадків симптоми, подібні до шизофренії. Тут вагітним мишам вводили полірибоінозинову-полірибоцитидилову кислоту або новонароджених макак хронічно піддавали дії епідермального фактора росту, в обох випадках приводячи до більшої кількості копій ретротранспозонів L1 мозку [75].

Висновок та майбутні напрямки

Інтегрована модель напруженої (ре) активації ретротранспозону та концепція алостатичного навантаження. Екзогенні та ендогенні проблеми збільшують алостатичне навантаження на організм, що являє собою середнє алостатичне навантаження, яке відчувають усі клітини організму. Наслідком цього є те, що не всі клітини будуть відчувати вищі алостатичні навантаження після стресу; деякі можуть навіть відчувати менше аллостатичного навантаження. Високе клітинне алостатичне навантаження призводить до втрати епігенетичного мовчання в гетерохроматичних геномних областях, що супроводжується (повторною) активацією ретротранспозонів. Втрата контролю над ретротранспозонами має різні наслідки та компроміси залежно від типу клітини. У соматичних клітинах це може допомогти окремій тварині створити клітинне різноманіття, важливе для нормального розвитку, але також може спричинити нестабільність геному, що може збільшити ризик захворювання. У статевих клітинах ретротранспозонова (повторна) активація може спричинити безпліддя, але також сприятиме розвитку видів, збільшуючи генетичне різноманіття. Гіпотетично складне середовище могло б, збільшуючи алостатичне навантаження, викликати загальногеномні події посилення транспозону, що спостерігаються у більшості еукаріотів, представляючи тим самим інструмент для адаптації популяції/виду до складного середовища.

Інтегрована модель напруженої (ре) активації ретротранспозону та концепція алостатичного навантаження. Екзогенні та ендогенні проблеми збільшують алостатичне навантаження на організм, що являє собою середнє алостатичне навантаження, яке відчувають усі клітини організму. Наслідком цього є те, що не всі клітини будуть відчувати вищі алостатичні навантаження після стресу; деякі можуть навіть відчувати менше аллостатичного навантаження. Високе клітинне аллостатичне навантаження призводить до втрати епігенетичного мовчання в гетерохроматичних геномних областях, що супроводжується (повторною) активацією ретротранспозонів. Втрата контролю над ретротранспозонами має різні наслідки та компроміси залежно від типу клітини. У соматичних клітинах це може допомогти окремій тварині створити клітинне різноманіття, важливе для нормального розвитку, але також може спричинити нестабільність геному, що може збільшити ризик захворювання. У статевих клітинах ретротранспозонова (повторна) активація може спричинити безпліддя, але також сприятиме розвитку видів, збільшуючи генетичне різноманіття. Гіпотетично складне середовище могло б, збільшуючи алостатичне навантаження, викликати загальногеномні події посилення транспозону, що спостерігаються у більшості еукаріотів, представляючи тим самим інструмент для адаптації популяції/виду до складного середовища.

Заява про конфлікт інтересів. Жоден не задекларований.