En stor del av vårt DNA består av själviska repetitiva DNA-element, av vilka några kan hoppa från en plats i genomet till en annan, vilket potentiellt skadar genomet. Forskare från Institute of Molecular Biotechnology vid Österrikiska vetenskapsakademin (IMBA) beskriver hur olika typer av repetitiva DNA-element styrs av samma tystande mekanism i fruktflugans äggstockar.

Centralt för deras fynd är ett okarakteriserat protein som forskarna kallade "Kipferl", vilket säkerställer effektiv kontroll av hoppande gener. Fynden tyder på att olika själviska element konkurrerar om värdgenomets försvarssystem och att Kipferl kan vara den första i en serie av liknande verkande molekyler som ännu inte har upptäckts. Resultaten publiceras i eLife .

Ungefär hälften av det mänskliga arvsmassan, och en femtedel av genomet av fruktflugan, är sammansatt av genetiska parasiter som liknar gener som kan göra kopior av sig själva och infoga sig själva i slumpmässiga områden av vårt genom, vilket potentiellt kan störa normalt genuttryck. Flera försvarsmekanismer har utvecklats för att hålla dessa så kallade transposoner i schack.

En sådan mekanism är ett RNA-interferenssystem som kallas piRNA-vägen. PiRNA-vägen är en liten RNA-tystnadsväg som bevaras i hela djurriket, från svampar till däggdjur. Denna tystnadsmekanism använder piRNA genererade från transposonrika sekvenser i DNA som kallas "piRNA-kluster".

piRNA är små RNA som kopplar ihop med så kallade Argonaute-proteiner i ljuddämpningsmaskineriet för att rikta in sig på transposonerna som är komplementära till deras sekvens. Därför fungerar dessa piRNA som ritningar för att identifiera och tysta transposoner med komplementära sekvenser i genomet, oavsett hur långt de kunde hoppa.

Fruktflugan Drosophila melanogaster, där piRNA-vägen först identifierades, använder ett protein som kallas "Rhino" för att hitta piRNA-kluster i genomet. Hur Rhino känner igen piRNA-klustren i DNA förblev dock okänt.

"Tidigare in vitro-data hade visat en affinitet hos Rhino för ett specifikt epigenetiskt märke, kromatinmodifieringen H3K9me3", säger IMBA-gruppledare Julius Brennecke, motsvarande författare till studien. Denna modifiering är en markör för "heterokromatin", en form av tätt packat DNA i vilket gener tystas.

H3K9me3 är dock inte specifik för piRNA-kluster utan finns också ofta i andra tätt packade regioner av genomet. Där binds H3K9me3 av det huvudsakliga heterokromatinproteinet 1 (HP1), en nära släkting till Rhino.

Varför HP1 och Rhino binder till olika undergrupper av heterochromatin, även om de båda har en jämförbar affinitet för samma kromatinmodifiering, var länge oklart. "Utan en fråga krävdes H3K9me3, men inte tillräckligt för att förklara Rhinos bindning till kromatin. Därför visste vi att det måste finnas ytterligare molekylära signaler som hjälper till att rikta Rhino till piRNA-kluster," tillägger Brennecke.

I sökandet efter denna molekylära ledtråd katalogiserade teamet direkta interaktörer av Rhino, och letade efter ett partnerprotein som kanske skulle kunna vägleda Rhino till piRNA-kluster. Med hjälp av en kombination av genetiska, genomiska och avbildningsmetoder, identifierade forskarna Rhinos "följeslagare" i Drosophila äggstockar:ett protein som innehåller flera zink-fingerveck som de kallade "Kipferl."

Kipferl binder inte bara till Rhino utan använder också sina zinkfingrar för den sekvensspecifika bindningen till guanosinrika DNA-motiv. Teamet fann att de flesta piRNA-kluster definieras genom kombinationen av Kipferls specifika DNA-bindningsställen med lokalt heterokromatin. På dessa platser stabiliseras Rhinos interaktion med H3K9me3 epigenetiska märken av Kipferl, vilket förklarar varför Rhino bara binder till en liten del av allt heterokromatin som finns i genomet.

För att lägga till en komplexitetsnivå visste teamet att Rhino inte bara lokaliseras till piRNA-kluster. Nyligen hade Rhino visat sig binda till så kallade "satellitmatriser". Dessa är repetitiva sekvenser av icke-kodande och icke-transponerande DNA som ligger nära kromosomernas centromerer.

"Vi såg en slående effekt på Rhino när vi genererade flugor med mutant eller frånvarande Kipferl och tittade på dem under mikroskopet", säger första författaren Lisa Baumgartner, doktorand i Brennecke-labbet vid IMBA. När Kipferl muterades, lokaliserades Rhino inte längre till piRNA-klustren över genomet. Istället ackumulerades det kraftigt vid genomiska satellitmatriser.

"Istället för mindre prickar fördelade runt kärnan såg vi noshörning bilda distinkta halvmåneliknande former. Baserat på denna allra första observation döpte vi det nya proteinet "Kipferl", efter ett populärt croissantformat österrikiskt bakverk. Vi fick bara reda på mycket senare att dessa strukturer motsvarade Mega-bassträckor av satellitmatriser." Därför visade forskarna att Kipferl hjälpte till att korrekt distribuera noshörning till piRNA-kluster och undvika att dess sekvestrering till satellitmatriser.

Noshörning är ett av de snabbast utvecklande proteinerna i fluggenomet. Brennecke och hans team antar att denna snabba utveckling mycket väl kan bero på positivt evolutionärt tryck som kommer från satellitmatriserna.

"Satellitmatriserna transponerar inte utan kan rekombineras. Men om de gör det på ett okontrollerat sätt kan hela kromosomarmar gå förlorade. Därför kan satellitmatriserna behöva en kontrollmekanism som involverar Rhino och andra piRNA-vägkomponenter för att hjälpa till att paketera dem in i tätt heterokromatin. Detta kan vara anledningen till att satellitmatriserna verkar vilja beslagta alla noshörningar de kunde hitta", förklarar Baumgartner.

Baumgartner tror att Rhino och piRNA-vägen kan ha mycket olika roller i deras interaktioner med satellitmatriserna eller piRNA-klustren och transposonerna. "Hoppandet och multiplikationen av transposoner utgör en fara för genomets funktionalitet, vilket gör det nödvändigt att piRNA-vägen tystar dem", säger hon.

"Därför, i transposonernas ögon är piRNA-vägen "fienden" som hindrar dem från att spridas genom genomet. Satellitmatriser, å andra sidan, behöver helt enkelt ytterligare ett lager av kontroll för att säkerställa att de kan behålla sin höga kopia antal utan att skada genomet genom oönskad rekombination. Därför skulle jag, i satellituppsättningarnas ögon, föreställa mig att Rhino är en faktor som säkerställer deras överlevnad", utvecklar hon.

Baserat på dessa observationer och analyser, föreslår forskarna att Satellite arrays kan använda ett annat partnerprotein som Kipferl för att hjälpa till att lokalisera Rhino till deras DNA.

"För att motverka sekvestreringen av Rhino av satellitmatriserna, spekulerar vi att Kipferl kan ha utvecklats ur en nödvändighet för att hjälpa till att rikta om Rhino till piRNA-klustren. Därför tyder våra fynd på att Rhino kan fångas i en korseld av genetiska konflikter." säger Brennecke. Rhino uttrycks dessutom både i testiklar och äggstockar hos fruktflugan, medan Kipferl endast uttrycks i äggstockar. "Kipferl kan vara den första av flera Rhino-vägledningsfaktorer som ännu inte har upptäckts", avslutar Brennecke. + Utforska vidare

Hur celler hackar sina egna gener