Мари Делатр (Marie Delattre) изучала половое размножение микроскопических червей и заметила нечто неожиданное. Находящийся под микроскопом эмбрион нематоды Mesorhabditis belari делился как полагается: одна клетка—две—четыре. Но внутри некоторых клеток Мари увидела необъяснимые брызги кусочков ДНК, которые плавали там, где им не место.
«ДНК была повсюду, внутри ядер и снаружи ядер — большие куски ДНК, — рассказала Делатр. — Я думала, что это мёртвый эмбрион».
Эмбрион не был мёртвым, но в нём происходило то, что обычно происходит в мёртвой клетке: уничтожение генома.
«Я начала пытаться отследить, когда появляются эти фрагменты, на какой стадии, и как они выглядят, — сказала Делатр, клеточный биолог из Высшей нормальной школы Лиона (École Normale Supérieure in Lyon). — Так я выяснила, что это не было случайностью. Все эмбрионы делали это».
То, на что наткнулась Делатр, и что она и её лаборатория описали в статье, опубликованной в августе в журнале Current Biology, было примером запрограммированного устранения ДНК (programmed DNA elimination — PDE), при котором организмы, похоже, целенаправленно уничтожают части своего генома. Это странное явление, которое противоречит идее о том, что геном является жизненно важным, священным ресурсом, который необходимо бережно передавать следующему поколению.
До сих пор исследователям удалось идентифицировать PDE только у примерно 100 видов у всех форм жизни: одноклеточные инфузории с несколькими ядрами пользуются PDE; также оно есть у крохотных червей и многометровых кишечных паразитов лошадей, у многих насекомых и даже у певчих птиц. Но PDE довольно сложно обнаружить и никто не знает, насколько оно действительно распространено.
«Оно не очень известно даже среди биологов», — замечает Делатр.
Кроме того, что в работе Делатр подтверждён ещё один случай существования PDE, там также есть попытка объяснения феномена. PDE указывает на постоянную борьбу между клетками и последовательностями ДНК, которые не приносят своему хозяину никакой пользы, или даже обременительны для него. Подобно садовникам, клетки должны защищать свой геном, чтобы тот оставался функциональным и продуктивным. Что нужно делать клетке, когда появляются сорняки? Новое исследование предполагает, что некоторые виды, такие как M. belari, могут с помощью PDE «сорняки пропалывать».
Несмотря на кажущуюся новизну темы, явление PDE было открыто на заре молекулярной биологии, задолго до того, когда исследователи узнали о том, что ДНК — это генетический материал жизни. В 1887 году немецкий биолог Теодор Бовери изучал развитие Parascaris, нематоды, паразитирующей на лошадях, когда он стал свидетелем того, как её большой геном сливается, фрагментируется, а затем снова собирается на более мелкие части во время митоза. Недостающие части, похоже, были отброшены без церемоний.
Чтобы выяснить, что происходит, лаборатория Делатр изучила ДНК взрослого червя. Исследователи сравнили геномы зародышевых клеток M. belari — специализированных репродуктивных клеток, таких как сперматозоиды и яйцеклетки, — с геномами соматических (нерепродуктивных) клеток червя. В соматических геномах отсутствовали длинные цепочки последовательностей, присутствующие в геномах зародышевой линии. В какой-то момент между ростом эмбриона с семи клеток до 32 огромные куски ДНК исчезли.
Затем учёные наблюдали за развитием эмбрионов нематод под микроскопом. По мере того как клетки росли и реплицировали свои геномы, они разбивали 20 хромосом на фрагменты, а затем собирали их в 40 миниатюрных хромосом. Большинство фрагментов воссоединились в этом новом, меньшем геноме, но значительная часть осталась за бортом.
В общей сложности нематода удалила колоссальную треть своего генома. Удалённые последовательности были выбраны не случайно. Прослеживается закономерность: в основном это были часто повторяющиеся участки ДНК, которые вообще не кодировали гены.
Подобные участки повторяющихся или некодирующих последовательностей упаковывают геномы эукариотических клеток. Некоторые выполняют какие-либо функции. Сателлитная ДНК, например, образует такие структуры, как гетерохроматин и центромеры, которые упаковывают ДНК, в то время как другие повторяющиеся участки регулируют экспрессию генов.
Однако некоторые повторяющиеся последовательности не способствуют выживанию хозяина — и могут даже мешать ему.
В эту группу входят транспозоны, самореплицирующиеся последовательности ДНК, которые крадут механизмы клетки, чтобы копировать себя тысячами или миллионами. Это равносильно молекулярному хищению в крупных размерах, а также пустой трате времени и энергии, которые клетка должна потратить на подавление этих последовательностей. Клетки обычно ограничивают транспозоны с помощью эпигенетических меток, которые глушат их, или путём перехвата и разрушения их РНК. Но некоторые виды, такие как M. belari, могут полностью удалить их с помощью PDE.
Делатр подозревает, что именно этим заняты её нематоды. Джонатан Уэллс, эволюционный генетик из Корнельского университета, изучающий транспозоны (не принимавший участия в новом исследовании), согласен, что ДНК-паразиты являются вероятной мишенью. Что касается управления транспозонами, «чем больше смотришь, тем больше систем», — заметил он.
Однако транспозоны и другие типы самореплицирующейся ДНК не обязательно являются «злодеями». Многократно копируя себя по всему геному, транспозоны также снабжают клетку свежим материалом, который может мутировать и развиваться в новые гены. Клетки-хозяева свободно и по своему усмотрению берут генетические последовательности из паразитной ДНК и делают их частью нормального генома — или, если посмотреть на это с другой стороны, паразиты настолько снискали расположение своих хозяев, что их усыновляют.
«Повторяющиеся элементы ДНК — это почва, в которой находятся все остальные гены», — комментирует Уэллс. «Они являются богатым источником новизны».
Поскольку транспозоны могут быть как вредными, так и полезными, PDE может найти применение не только в борьбе с ними. Даже Делатр не убеждена, что дело в одних только транспозонах. Хотя повторяющаяся ДНК, которую удалила M. belari, была вредной, «зачем избавляться от [паразитарной ДНК] только в соматических клетках, а не в зародышевой линии?» — спрашивает исследователь.
Помимо борьбы с паразитами, PDE может помогать клеткам оптимизировать свои геномы по мере их прохождения через разные стадии жизни. Многие гены, имеющие решающее значение для эмбрионального развития организма, становятся ненужными в зрелом возрасте. Если клетка может избавиться от этих генов, почему бы ей этого не сделать ради повышения эффективности? Большой геном труднее копировать и поддерживать, а неправильная экспрессия генов развития может вызвать проблемы. В соматических клетках, которым не нужно передавать полный геном потомству, как это делают клетки зародышевой линии, удаление ненужных элементов может быть выигрышной эволюционной стратегией.
Никто точно не знает, почему происходит PDE. Поскольку она недостаточно изучена и противоречит многим глубоко укоренившимся генетическим концепциям (одна статья, описывающая, как некоторые певчие птицы уничтожают целую хромосому, назвала такие делеции «менделевскими кошмарами»), практически любая гипотеза может выдержать критику.
Это ещё одна причина для биологов расширить поиск, говорит Делатр:
«Если оно существует у других видов, о которых мы не знаем, нам нужно его искать».
Лучше понимая, кто использует PDE, учёные смогут приблизиться к пониманию того, почему некоторые организмы принимают такие радикальные и потенциально рискованные меры для управления своим геномом.
«Я думаю, можно сделать ставку на то, что PDE более распространено, чем мы думаем», — заметил Уэллс.
Комментарии на сайте отключены, обсуждение статьи — в нашем Дзен-канале.
Автор оригинальной публикации — Дэн Самородницки (Dan Samorodnitsky).