Даже у простейших организмов это работает, но обычно на коротких участках ДНК — «выключатель» чаще всего находится прямо рядом с геном. Такая базовая регуляция, вероятно, появилась вместе с самой жизнью на Земле.

Но новое исследование, опубликованное в Nature, показывает: способность управлять генами на расстоянии — через десятки тысяч «букв» ДНК — возникла гораздо позже, между 650 и 700 млн лет назад. Это произошло на заре эволюции животных, на 150 млн лет раньше, чем считали до сих пор.

Такой дистанционный контроль, или дистальная регуляция, возможен благодаря сложным петлям, которые образуют ДНК и белки. Эти петли позволяют удаленным участкам генома влиять на работу генов. Дополнительный уровень контроля, скорее всего, помог первым многоклеточным животным создавать специализированные клетки и ткани, не изобретая новые гены.

Ключевое новшество, вероятно, появилось у общего предка всех современных животных — какого-то древнего морского существа. Оно научилось особым образом сворачивать ДНК, формируя трехмерные петли, которые сближали далекие участки генома.

Это существо могло использовать свой генетический инструментарий по-разному, как швейцарский нож, что позволяло ему экспериментировать с новыми стратегиями выживания. Мы не ожидали, что такой уровень сложности появился так давно, — говорит первый автор исследования Иана Ким.

Ученые изучили геномы древнейших ветвей животного мира: гребневиков (например, «морского ореха» Mnemiopsis leidyi), пластинчатых, стрекающих и губок. Также они проанализировали одноклеточных родственников животных.

Можно открыть много нового, изучая странных морских существ. Раньше мы сравнивали последовательности геномов, но теперь можем анализировать, какие механизмы регулируют их работу у разных видов, — объясняет Арнау Себе-Педрос, руководитель исследования.

Команда использовала метод Micro-C, чтобы увидеть, как ДНК упакована в клетках 11 разных видов. В ядре человеческой клетки, например, умещается около двух метров ДНК. Ученые обработали 10 млрд фрагментов данных, чтобы построить детальные 3D-карты геномов.

У одноклеточных родственников животных дистальной регуляции не нашли, а у древних животных вроде гребневиков и губок обнаружили тысячи петель. У «морского ореха» их больше четырех тысяч, хотя его геном в 15 раз короче человеческого.

Раньше считалось, что дистальная регуляция появилась у последнего общего предка билатерий — группы, возникшей около 500 млн лет назад. Но гребневики отделились от других животных на 150 млн лет раньше.

Еще одно открытие: у позвоночных петли ДНК формирует белок CTCF. Но у древних животных его нет — вместо этого гребневики используют другой белок из того же семейства.

Эволюция решила одну задачу разными способами. Теперь мы знаем, что петли ДНК могут создавать два разных белка. Разве это не удивительно? — говорит Марк А. Марти-Реном.

Как и у губок с гребневиками, у человека дистальная регуляция помогает создавать разные типы клеток — от нейронов до иммунных. Если этот механизм ломается, возникают болезни.

Изучая древних животных, ученые лучше понимают, как устроена регуляция генов, что может помочь в разработке новых методов лечения.

Исследование опирается на ограниченное число видов — всего 11. Возможно, анализ большего разнообразия древних организмов выявил бы исключения или альтернативные механизмы регуляции.

Этот труд меняет представление об эволюции сложных организмов. Понимание, как возникла дистанционная регуляция генов, поможет:

• Расшифровать причины генетических сбоев, ведущих к болезням.
• Улучшить методы редактирования генома.
• Понять, какие механизмы регуляции универсальны, а какие — случайные «изобретения» эволюции.

Ранее ученые заявили, что у кукурузы генов больше, чем у человека.