Програма перебудови генома записана в РНК • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Генетика

Програма перебудови генома записана в РНК

Інфузорія оксітріха (фото з сайту www.gpmatthews.nildram.co.uk)

Американські біологи виявили, що геномні перебудови, що відбуваються в ході розвитку інфузорії Oxytricha, управляються «програмою», записаної в молекулах РНК. Вводячи в клітку штучно синтезовані молекули РНК, можна цілеспрямовано змінювати «робочий» геном, що зберігається в великому ядрі і визначає будову і поведінку інфузорії. Другий геном, не працюючий, зберігається в малому ядрі і служить виключно для передачі генів потомству. Відкриття показало, що велика і дуже важлива частина спадкової інформації у інфузорій передається разом з молекулами РНК, що представляють собою копії хромосом великого ядра.

Часи, коли будь-які зміни геному вважалися абсолютно випадковими, давно канули в минуле. Сьогодні добре відомо, що жива клітина має великий арсенал засобів, що дозволяють управляти генетичними змінами. Ось лише кілька прикладів:

  1. Бактерії можуть цілеспрямовано збільшувати частоту мутації при несприятливих умовах (див .: Коли шкідливих мутацій багато, вони не так шкідливі, «Елементи», 06.12.2005).
  2. Деякі мікроби навмисне перебудовують гени своїх поверхневих білків, щоб піти з-під удару імунної системи (див .: Гонококки обманюють імунну систему,вносячи контрольовані зміни в свій геном, «Елементи», 31.05.2006).
  3. Клітини імунної системи цілеспрямовано змінюють свій геном, створюючи гени нових антитіл і Т-клітинних рецепторів шляхом перекомбінірованія фрагментів ДНК і «гіпермутірованія» (див .: Мутагенез в лімфоцитах – результат цілеспрямованої зміни ДНК і подальшої «неточною лагодження», «Елементи», 03.09. 2007).
  4. Рухливі генетичні елементи, якщо дати їм волю, здатні переворушити весь геном, але клітина може регулювати їх активність на свій розсуд (див .: У ссавців знайдена система керування мобільними генетичними елементами, "Елементи", 11.05.2007).
  5. Метилирование ДНК – один з «епігенетичних» механізмів регуляції активності генів – передбачуваним чином впливає на ймовірність мутації окремих нуклеотидів (див .: Б. Ф. Ванюшин. Матеріалізація епігенетики, або Невеликі зміни з великими наслідками, Pdf, 180 Кб).

Одним з найдивовижніших прикладів цілеспрямованої перебудови генома є формування макронуклеуса (великого ядра) у інфузорій. «Елементи» уже зверталися до цієї теми в минулому році (див .: Число генів в геномі інфузорії виявилося таким же, як у людини, «Елементи», 07.09.2006; в цій замітці наводяться також і основні відомості про генетику і життєвому циклі інфузорій ).

За минулий рік наука дуже далеко просунулася в розумінні керованих геномних перебудов у інфузорій. Нова стаття американських біологів, опублікована в журналі Nature, Являє собою дуже важливий прорив в цій області.

Інфузорії – найскладніші з одноклітинних організмів, і взагалі – верх того, що змогла створити еволюція на одноклітинному рівні. Будова інфузорій багато в чому нагадує багатоклітинних, дарма що клітина всього одна. Наприклад, у багатоклітинних тварин розрізняють лінію генеративних клітин, геном яких оберігається від усіляких змін (адже саме цей геном буде переданий у спадок нащадкам), і соматичні клітини, геном яких може змінюватися в міру потреби (наприклад, можуть метилірованої або зовсім викидатися якісь частини геному, непотрібні в даній тканини або органі, або можуть відбуватися складні цілеспрямовані перебудови, як в лімфоцитах). Генетичні зміни соматичних клітин в нормі не передаються у спадок. У інфузорій теж є два генома – генеративний і вегетативний (соматичний). Перший зберігається в маленькому ядрі (мікронуклеус), має досить велику кількість транспозони і не кодують ділянок, і в цілому знаходиться в неробочому стані, якщо не сказати – в повному хаосі.Наприклад, багато генів в ньому розірвані на шматки і перемішані в такий клубок, що ніяким сплайсингом НЕ розплутати. Але, тим не менш, це нормальний, хоча і сильно запущений, великий еукаріотичний геном. До речі, число генів у інфузорій і у людини приблизно однаково (близько 30 тисяч). Геном микронуклеуса, природно, не працює (він і не зміг би), і служить тільки для передачі генів потомству при статевому розмноженні.

Вегетативний (соматичний, робочий) геном інфузорії зберігається в великому ядрі (макронуклеус) і за багатьма параметрами сильно відрізняється від інших еукаріотичних геномів. У інфузорії Oxytricha, Якій присвячена обговорювана стаття, він складається з багатьох тисяч окремих «нанохромосом». Це справжні хромосоми, тільки дуже маленькі, зазвичай містять всього один ген. Кожна нанохромосома, або МАК-хромосома, присутній в макронуклеус в дуже великій кількості копій. Відповідно, і весь вегетативний геном багаторазово сдублірованние, тобто макронуклеус є Поліплоїдний (мікронуклеус – диплоидное ядро).

За розміром вегетативний геном оксітріхі в цілих 20 разів менше генеративного (50 млн і 1 млрд пар основ відповідно; для порівняння, у людини – 3 млрд, у бактерій – зазвичай до 10 млн).Таке радикальне скорочення досягається просто за рахунок викидання з генеративного генома всього «зайвого».

Інфузорії розмножуються поділом, при цьому діляться обидва ядра. Час від часу інфузорії кон'югують – з'єднуються попарно, щоб обмінятися спадковим матеріалом (кон'югація – особливий різновид статевого процесу). Під час кон'югації мікронуклеус зазнає мейоз, тобто такий розподіл, в ході якого число хромосом скорочується вдвічі. З'єдналися інфузорії обмінюються «половинками» своїх мікронуклеусов. Ці половинки потім зливаються, і кожна інфузорія отримує один цілий мікронуклеус, в якому половина хромосом – її власна, а половина отримана від партнера. Потім інфузорії роз'єднуються і продовжують жити як жили, з тією невеликою різницею, що з точки зору генетики кожна з них тепер перетворилася в свою власну дочку.

Під час кон'югації або відразу після неї макронуклеус разом зі своїм геномом руйнується, а потім відновлюється заново. За основу береться генеративних геном микронуклеуса, але він при цьому піддається радикальної перебудови. 95% генеративного генома просто видаляється.«На викид» йдуть практично всі транспозони і некодуючі послідовності. Залишаються чисті гени, майже без домішок. Але реорганізація генома не зводиться до видалення сміття. Відбувається також «розплутування» – збірка працюють генів з розрізнених і переплутаних обривків. Як ми пам'ятаємо, багато генів в генеративних геномі розірвані на дрібні шматочки і перемішані. У проміжках між цими шматочками можуть перебувати довгі некодуючі вставки. Це не звичайні інтрони, які видаляються при сплайсинге (інтрони у інфузорій теж є, але вони входять до складу зберігаються фрагментів). Це особливі, характерні тільки для інфузорій «зайві» шматки генома, що видаляються при формуванні вегетативного генома макронуклеуса.

Наприклад, в генеративних геномі ген може мати таку структуру: 2X7X5X4X8X1X3X6 (цифрами позначені «робочі» фрагменти гена, буквою X – «непотрібні» вставки різної довжини). У вегетативному геномі цей ген буде виглядати так: 12345678.

Звідки клітина знає, в якому порядку потрібно з'єднувати шматки? Досі відповіді на це питання не було.

Дослідники з Прінстонського університету встановили,що для «розплутування» генетичної інформації інфузорії використовують зразки (матриці), що представляють собою молекули РНК, лічені з нанохромосом макронуклеуса (МАК-хромосом) перед тим, як макронуклеус був зруйнований.

РНК-матриця, обчислена з МАК-хромосоми перед руйнуванням макронуклеуса, служить "ключем" для розплутування генетичної інформації, що міститься в МІК-хромосомі. чорним кольором позначені кінцеві ділянки хромосом – теломери. Мал. з обговорюваної статті вNature

Щоб це з'ясувати, довелося провести багато складних експериментів.

Для перевірки гіпотези про роль РНК-матриць в збірці МАК-хромосом дослідники скористалися методом РНК-інтерференції. Інфузорій годували генно-модифікованими бактеріями, що виробляють дволанцюжкові молекули РНК, що збігаються по послідовності нуклеотидів з фрагментом однієї з МАК-хромосом. Еукаріотичні клітини відносяться до двухцепочечную РНК з побоюванням, приймають їх за вірусів і починають знищувати все РНК з такою послідовністю нуклеотидів, в тому числі і звичайні, одноцепочечниє. На цьому заснована методика «виключення» генів.Ідея полягала в тому, що, поївши бактерій, інфузорій сама знищить одну з РНК-матриць, необхідних їй для складання МАК-хромосом. Так і вийшло. В результаті після кон'югації вийшли інфузорії, у яких відповідну ділянку однієї з МАК-хромосом виявився зібраний неправильно або взагалі не зібраний – просто залишений в тому вигляді, в якому він був в МІК-хромосомі. При цьому всі інші МАК-хромосоми були зібрані правильно.

Стало бути, РНК-матриці дійсно беруть участь в програмованої перебудови геному. Але що вони собою представляють – чи є вони копіями цілих нанохромосом або окремих їх ділянок?

Дослідники стали виділяти і аналізувати РНК з інфузорій на різних стадіях життєвого циклу. З'ясувалося, що через кілька годин після кон'югації (якраз тоді, коли старий макронуклеус руйнується, а новий починає формуватися) в клітинах з'являються довгі транскрипти (молекули РНК), відповідні цілим МАК-хромосомами разом з кінцевими ділянками – теломерами. Через 30-50 годин після кон'югації ці транскрипти зникають.

Таким чином, перед тим як знищити макронуклеус разом з вегетативним геномом, клітина знімає «резервну копію» з кожної МАК-хромосоми.Ця копія, що представляє собою молекулу РНК, в подальшому використовується як зразок для складання нових маленьких і акуратних МАК-хромосом з того неподобства, яке записано в МІК-хромосомах.

Наступне питання полягав в тому, наскільки точно РНК-матриці регулюють процес складання МАК-хромосом і чи можна управляти цим процесом, впроваджуючи в клітку штучні РНК-матриці? Дослідники синтезували кілька молекул РНК, схожих на «справжні» РНК-матриці, але зі зміненим порядком фрагментів. Наприклад, якщо для МІК-гена зі структурою 2X7X5X4X8X1X3X6 правильна РНК-матриця має вигляд 12345678, то в штучної матриці якусь пару фрагментів міняли місцями (наприклад, так: 13245678).

Впорскування таких матриць в інфузорій після кон'югації призводило до формування МАК-хромосом двох типів: одні відтворювали правильний порядок фрагментів (адже правильні матриці з клітин не віддалились), інші – той, який був присутній в штучних матрицях. Нагадаємо, що кожна МАК-хромосома в макронуклеус присутній у величезній кількості копій. Таким чином, РНК-матриці здійснюють досить точне управління процесом складання МАК-хромосом, і за допомогою штучних матриць можна направляти цей процес в бажану сторону.

Наступне важливе питання: регулюють чи РНК-матриці збірку тільки тих генів, які в генеративних геномі перемішані (тобто мають неправильний порядок фрагментів) або ж цей механізм універсальний і застосовується до всіх генам без винятку?

Дослідники виготовили і ввели в інфузорій РНК-матриці з неправильним порядком фрагментів для тих генів, які в генеративних геномі НЕ перемішані і тому в «розплутуванні» не потребують (з них потрібно тільки вирізати «зайві» шматки). У підсумку відповідні гени в МАК-хромосомах виявилися неправильно зібрані. Значить, механізм універсальний.

З цього, до речі, слід цікавий еволюційний висновок. Оскільки у інфузорій вже розвинулася універсальна система «розплутування» подрібнених і переплутаних генів, подальша фрагментація МІК-генів і перестановки їх частин вже не будуть відсіюватися відбором. Адже є розплутувати механізм, йому все одно, він все виправить. Мабуть, тому-то МІК-геноми інфузорій і прийшли поступово в стан хаосу.

Дивлячись на малюнок, можна зрозуміти, що система спочатку могла розвинутися просто для видалення зайвих шматків генома, а «розплутує» функція її виникла при цьому автоматично, сама собою, як якийсь доважок – спочатку непотрібний, але потім став необхідним.

Таким чином, інформація про послідовність, в якій потрібно зшивати уривки генів генеративного генома, передається потомству інфузорій «некласичних» способом – у вигляді молекул РНК. Але ж це не така вже й маленька частина спадкової інформації!

Чи можуть РНК-матриці передавати потомству також і інформацію про послідовність окремих нуклеотидів? До цих пір мова у нас йшла тільки про послідовність фрагментів генів, тобто про шматки довжиною в десятки і сотні нуклеотидів. Кожен ген, як відомо, може існувати у вигляді кількох варіантів (алелей), що розрізняються одиничними нуклеотидними замінами або вставками. Тому відповідність РНК-матриці і збираються на її основі МАК-хромосом далеко не завжди є абсолютним. Окремі нуклеотиди можуть відрізнятися, і це не заважає правильній збірці.

В принципі, не виключено, що якісь нуклеотидні заміни можуть передаватися з РНК-матриці в яку збирають МАК-хромосому. Звичайно, інфузоріям немає сенсу переносити в МАК-хромосому все відмінності такого роду. Адже тоді МАК-хромосоми після кон'югації залишалися б повністю ідентичними материнським, і кон'югація втратила б будь-який сенс. Але, як з'ясувалося, деякі нуклеотидні заміни все-таки переносяться в МАК-хромосоми з РНК-матриць.Це, однак, відбувається не по всій довжині збирається гена, а тільки в безпосередній близькості від місць «зшивання» фрагментів. Це дуже важливий факт, що однозначно свідчить про те, що в зшивці шматочків ДНК у інфузорій бере участь щойно відкритий (у дріжджів) механізм лагодження ДНК на основі РНК-матриць (див .: РНК служить матрицею для виправлення пошкоджень в ДНК, «Елементи» , 21.05.2007).

Чи можуть подібні системи редагування генома, засновані на використанні РНК-матриць, працювати і в інших організмів, а не тільки у інфузорій? Чому б і ні? Потрібно шукати. Череда відкриттів останніх років однозначно показує, що жива клітина як і раніше таїть в собі безліч невідомих нам молекулярних механізмів, в тому числі і таких, які використовуються для цілеспрямованої зміни власного геному.

джерело: Mariusz Nowacki, Vikram Vijayan, Yi Zhou, Klaas Schotanus, Thomas G. Doak, Laura F. Landweber. RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway // Nature. Advance online publication 28 November 2007.

Про передачу спадкової інформації за допомогою РНК см. Також:
1) Механізм неменделевская спадковості залишається загадковим, «Елементи», 17.10.2007.
2) Спадкова інформація записана не тільки в ДНК, «Елементи», 01.06.2006.
3) Чи потрібні ембріонам гени ?, «Елементи», 08.05.2007.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: