Чтобы защитить геном, эти клетки уничтожают собственную ДНК 

Чтобы защитить геном, эти клетки уничтожают собственную ДНК 

Октябрь 5, 2023 - 16:57
 0  23
Чтобы защитить геном, эти клетки уничтожают собственную ДНК 
Под микроскопом клетки эмбриона червя уничтожили одну треть своего генома — бескомпромиссная тактика, которая может бороться с генетическими паразитами. 

Мари Делатр изучала практику полового размножения микроскопических червей, когда заметила нечто неожиданное. Под микроскопом эмбрион нематоды Mesorhabditis belari делился как положено, прогрессируя от одной клетки до двух-четырех. Но внутри нескольких клеток она увидела необъяснимые брызги фрагментов ДНК, плавающие там, где им не место.

«ДНК была повсюду, внутри ядер и снаружи ядер — большие куски ДНК», — сказала она. «Я думал, что это мертвый эмбрион».

Эмбрион не был мертв, но он делал то, что обычно делают только мертвые клетки: разрушал свой геном. «Я начал пытаться проследить, когда эти фрагменты появляются, на какой стадии и как они выглядят», — сказал Делатр, клеточный биолог из Высшей нормальной школы в Лионе. «Так я понял, что это не случайно. Все эмбрионы сделали это».

То, на что наткнулся Делатр и что она и ее лаборатория описали в статье, опубликованной в августе в журнале Current Biology , было примером запрограммированного устранения ДНК (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 добросовестно передавать следующему поколению.

На данный момент исследователи идентифицировали ФДЭ только примерно у 100 видов во всех ветвях жизни: одноклеточные инфузории с множеством ядер осуществляют ФДЭ; То же самое можно сказать и о крошечных червях, а также о кишечных паразитах лошадей длиной в несколько метров, многих насекомых и даже певчих птиц. Но PDE может быть настолько трудно обнаружить, что никто не знает, насколько он распространен на самом деле. «Это не очень хорошо известно даже среди биологов», — сказал Делатр.

Помимо подтверждения существования еще одного случая ПДЭ, новая статья Делаттра также намекает на его объяснение. PDE указывает на длительную борьбу между клетками и последовательностями ДНК, которые бесполезны для их владельца или, возможно, даже отягощают его. Подобно садовникам, клетки должны защищать свои геномы, чтобы оставаться функциональными и продуктивными. Что должна делать клетка, когда в ней появляются сорняки? Новое исследование предполагает, что некоторые виды, такие как M. belari , могут просто выдергивать сорняки с помощью ФДЭ.

Несмотря на кажущуюся новизну, ФДЭ был открыт на заре молекулярной биологии, задолго до того, как исследователи узнали, 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 ее большой геном сливается, фрагментируется, а затем снова собирается на более мелкие части во время митоза. Недостающие части, похоже, были выброшены без церемоний.

Мари Делатр смотрит в микроскоп в своей лаборатории.
Мари Делатр, клеточный биолог из Высшей нормальной школы в Лионе, была шокирована, увидев «большие куски ДНК», плавающие в клетках, где им не место. Свободная ДНК кодировала длинные цепочки повторяющихся последовательностей — потенциально опасных геномных паразитов.

В течение 20-го века исследователи обнаружили лишь несколько других организмов — инфузорий, мотыльков, копепод, бандикутов — которые обладают PDE, и это оставалось второстепенной концепцией. Но почему какой-либо из этих видов сделал это, осталось неясным.

Чтобы выяснить, что происходит, лаборатория Делаттра 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 ученые 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. Удаленные последовательности были выбраны не случайно. Была закономерность: в основном это были сильно повторяющиеся участки ДНК, которые вообще не кодировали гены, обнаружил Делатр.

Подобные участки повторяющихся или некодирующих последовательностей упаковывают геномы эукариотических клеток. Некоторые выполняют необходимые 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.

Ученые окрасили ДНК этого детеныша червя, чтобы найти недостающие последовательности. Удаленные фрагменты генома (красные) выживают только в клетках зародышевой линии гонад червя; эти фрагменты отсутствуют в ядрах почти всех других клеток организма (синие). 

В эту группу входят транспозоны, самореплицирующиеся последовательности ДНК, которые крадут механизмы клетки, чтобы копировать себя тысячами или миллионами. Это равносильно молекулярному хищению, а также пустой трате времени и энергии, которые клетка должна потратить на подавление этих последовательностей. Клетки обычно ограничивают транспозоны с помощью эпигенетических меток, которые заставляют их замолчать, или путем перехвата и разрушения их РНК. Но некоторые виды, такие как M. belari, могут полностью удалить их с помощью PDE.

Именно это, как подозревает Делатр, делают ее нематоды. Джонатан Уэллс, эволюционный генетик из Корнеллского университета, изучающий транспозоны и не принимавший участия в новом исследовании, согласен, что ДНК-паразиты являются вероятной мишенью. Что касается управления транспозонами, «чем больше смотришь, тем больше систем», — сказал он.

Повторяющиеся элементы ДНК — это почва, на которой сидят все остальные гены. Они являются богатым источником новизны.
Джонатан Уэллс, Корнельский университет

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 превращаться в новые гены. Клетки-хозяева свободно и свободно берут генетические последовательности из ДНК паразита 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», — сказал Уэллс. «Они являются богатым источником новизны».

Поскольку транспозоны могут быть как вредными, так и полезными, ФДЭ может найти применение не только в борьбе с ними. Даже Делатр не убежден, что дело в транспозонах. Хотя повторяющаяся ДНК, удаленная M. belari, была вредной, «почему вам нужно избавиться от [паразитарной ДНК] только в соматических клетках, а не в зародышевой линии?» она спросила.

Помимо борьбы с паразитами, ФДЭ может помочь 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 не сделать это ради эффективности? Больший 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 эти делеции «менделевскими кошмарами»), практически любая гипотеза может выдержать критику.

Это еще одна причина для биологов расширить его поиск, сказал Делатр: «Если он существует у других видов, о которых мы не знаем, нам нужно его искать». Лучше понимая, кто использует PDE, ученые смогут приблизиться к пониманию того, почему некоторые организмы принимают такие радикальные и потенциально рискованные меры для управления своим геномом. «Я думаю, можно поспорить, что PDE более распространен, чем мы думаем», — сказал Уэллс.

Какова ваша реакция?

like

dislike

love

funny

angry

sad

wow