23.03.2013

Расшифрован геном инфузории Oxytricha trifallax — эукариотический геном из 16 000 хромосом

Oxytricha trifallax — удивительный одноклеточный организм, принадлежащий к типу инфузорий. Как и все инфузории, она имеет два ядра — макро- и микронуклеус: первое обеспечивает вегетативный рост и размножение, а второе нужно для обмена генетической информацией при половом процессе. Рабочий геном макронуклеуса получается из неактивного микронуклеуса, причем этому процессу сопутствует почти полное уничтожение ДНК микронуклеуса и массовые перестройки с участием некодирующих РНК. Группа американских исследователей расшифровала геном макронуклеуса окситрихи и обнаружила, что количество хромосом у нее приближается к 16 000. Около 10% хромосом имеют изоформы (разные варианты), образующиеся в результате альтернативной сборки кусочков ДНК. Весь геном представлен почти 2000 копий, то есть одновременно в ядре содержатся миллионы хромосом. Проанализировав геномную последовательность, авторы ответили на вопрос, каким образом Oxytricha обеспечивает столь обширную перестройку генома и как поддерживает десятки миллионов теломер (концевых структур хромосом).

Инфузория Oxytricha trifallax — дальняя родственница инфузории-туфельки Paramecium caudatum, которую можно встретить в каждой луже. Вместе с другой «туфелькой» Paramecium tetraurelia и инфузорией Tetrahymena thermophila она является излюбленным модельным организмом для изучения молекулярной биологии эукариот. Эти три вида относятся к классу ресничных инфузорий (Ciliata), который является подразделом большого царства простейших — древних одноклеточных эукариот. Инфузории составляют значительную часть мирового планктона, живут как в пресной, так и в соленой воде и заселили даже такие экзотические ниши, как кишечник лягушки.

Надо сказать, что инфузории всё время подкидывают ученым сюрпризы. Всё у них не как у людей: например, в генетическом коде стоп-кодоны иногда кодируют аминокислоты, хотя должны были бы обозначать окончание синтеза белка, а для хранения информации используется РНК вместо ДНК. Естественно, что расшифровка геномов инфузорий представляет большой интерес для молекулярных биологов. По мнению авторитетного журнала Cell, который в начале 2013 года опубликовал обзор, посвященный особенностям генетики простейших, исследования в этой области находятся на переднем крае науки и могут существенно изменить наше представление о молекулярной биологии.

Геномы инфузорий Tetrahymena и Paramecium были прочитаны несколько лет назад, и вот, наконец, большой коллектив ученых из Америки представил широкой публике геном Oxytricha. По выражению авторов, это эукариотический геном с необычной архитектурой и большой степенью генетической вариабельности.

Уникальной особенностью всех инфузорий является ядерный диморфизм (или, иначе, ядерный дуализм) — наличие в одной клетке двух ядер. Такая особенность обусловлена наличием двух циклов в их жизни (рис. 2).

Если всё хорошо и еды вокруг хватает, клетки растут и размножаются вегетативно, простым делением пополам. В это время у них работает большое ядро — макронуклеус (соматическое, или вегетативное, ядро). Оно содержит функциональный геном, то есть активно транскрибирующуюся ДНК, и обеспечивает все жизненные функции клетки (это подтверждается тем, что инфузории спокойно могут воспроизводиться с одним только макронуклеусом). Второе ядро — микронуклеус (генеративное ядро) — содержит ДНК в неактивной форме и предназначено для обмена информацией с другой клеткой. Грубо говоря, это просто хранилище генома.

Если клетка решает, что наступили неблагоприятные условия (например, мало еды), она вступает в половой процесс, целью которого является обновление генофонда за счет обмена генетической информацией с другой клеткой. Вдруг новая комбинация генов в сложившихся условиях окажется полезней, чем старая? Во время полового процесса у инфузорий две клетки сливаются (происходит конъюгация) и обмениваются половинками своих микронуклеусов, которые получаются в результате деления микронуклеуса мейозом — этот тип деления ядра лежит в основе генетического разнообразия у всех эукариот. Когда в клетке появляется новый микронуклеус, находящийся в клетке макронуклеус разрушается и из микронуклеуса образуется новый макронуклеус. Теперь инфузория продолжает размножаться вегетативно, уже с новым набором генов. Таким образом, имея в одной клетке два ядра, вегетативное и генеративное, инфузории обеспечивают процесс, ради которого многоклеточным организмам приходится заводить отдельные половые клетки — гаметы. (Более подробно жизненный цикл инфузорий описан в подписи к рис. 2 и в статье Александра Маркова Программа перестройки генома записана в РНК, посвященной окситрихе.)

Важно, что, хотя микронуклеус является своеобразным хранилищем генома, образующийся из него макронуклеус в итоге содержит совсем не ту же самую генетическую информацию! ДНК, содержащаяся в микронуклеусе, содержит огромное количество некодирующих последовательностей (они называются IES — internally eliminated sequences), которые должны быть удалены. Таким образом, на первом этапе формирования функционального генома значительная часть ДНК уничтожается. Если у Tetrahymena и Paramecium выбрасывается около 30% ДНК, то у Oxytricha это 96%! Зачем хранить и бережно передавать другим клеткам такое количество ненужной ДНК — загадка.

На втором этапе оставшиеся кусочки (MDS — macronuclear destined sequences) нужно склеить в правильном порядке, чтобы получить гены. У окситрихи в микронуклеусе они содержатся не по порядку, как у других инфузорий, а хаотично (см. рис. 3). Для правильной сборки необходима РНК-матрица — длинные некодирующие молекулы РНК (это уникальная особенность окситрихи; подробнее см. всё в той же статье Программа перестройки генома записана в РНК).

Наконец, получившиеся фрагменты ДНК подвергаются амплификации, то есть увеличивается количество их копий. Если микронуклеус содержит просто компактизованный клубок ДНК, практически неактивной, то в результате описанных процессов формируется макронуклеус, содержащий рабочий геном, состоящий из огромного количества маленьких хромосом (исследователи называют их нанохромосомами). Нанохромосомы — это еще одно отличие окситрихи от других модельных инфузорий.

Итак, американские исследователи сумели разобраться в этом хаосе и расшифровали геном макронуклеуса окситрихи (в настоящее время они работают над расшифровкой содержимого микронуклеуса). Размер генома — около 50 миллионов пар оснований. Он заключен примерно в 16 000 нанохромосом, размер которых составляет от 500 до 66 тысяч пар нуклеотидов (для сравнения, у Tetrahymena и Paramecium хромосом «всего» около 200, у человека в соматических клетках хромосом 46, а у культурных растений число хромосом достигает нескольких сотен). Все хромосомы представлены большим количеством копий. В среднем, геном окситрихи размножен примерно в 2000 раз, то есть реально в ядре одновременно присутствуют миллионы хромосом!

Удивительно, что количество копий, судя по всему, строго не регулируется, и при делении хромосомы расходятся по дочерним клеткам как попало. Некоторые колебания в количестве копий хромосом соотносятся с колебаниями уровней экспрессии соответствующих генов, но, судя по всему, изменение копийности не является средством регуляции экспрессии. Также в процессе геномных перестроек некоторые фрагменты ДНК могут «нарезаться» и «склеиваться» по-разному, что приводит к образованию изоформ (то есть различных вариантов) примерно у 10% хромосом (интересная аналогия с альтернативным сплайсингом у других эукариот). Такое ощущение, что у инфузорий РНК и ДНК поменялись ролями: РНК необходима для хранения информации, а ДНК подвергается перестройкам и редактированию! Количество генов в геноме окситрихи достигает 18,5 тысяч, причем большинство нанохромосом содержит всего один ген. Интересно, что альтернативной фрагментации подвергаются именно те немногие хромосомы, которые содержат несколько генов (максимум 8 на одной хромосоме), пишет PLOS Biology.

Несмотя на обилие в клетке нанохромосом, каждая из них, как и полагается, ограничена по краям теломерами — структурами, которые необходимы для предотвращения укорачивания хромосом в процессе репликации. Эти структуры представляют собой множество коротких повторов, с которыми связаны специальные белки. Чем большее число раз клетка поделится, тем меньше остается повторов. Фермент теломераза обеспечивает воспроизводство теломер на основе собственной РНК-матрицы. (У млекопитающих в соматических клетках теломераза неактивна, поэтому клетки могут поделиться ограниченное число раз, что является одной из причин старения. Теломераза работает только в стволовых и половых клетках, а также в клетках раковых опухолей — это позволяет им неограниченно делиться.)

Большое количество теломер, очевидно, требует большого количества белков, участвующих в их формировании. Неудивительно, что в геноме окситрихи обнаружились специфичные для нее гены (их нет у других инфузорий), кодирующие дополнительные белки, необходимые для поддержания теломер. Это 9 новых генов, произошедших от двух предковых в результате удвоений участков генома (такие гены называются паралогами). Все эти белки являются структурными, то есть связываются с повторами ДНК в составе теломер. Теломераза у окситрихи всего одна. Учитывая роль теломер и теломеразы в таких процессах, как старение и развитие рака, изучение того, как окситрихия справляется с миллионами теломер, может подкинуть интересные идеи ученым, работающим в области биомедицины.

Вернемся к крайне сложным перестройкам генома, характерным для окситрихи. Возникает вопрос: откуда так много ненужных последовательностей, от которых приходится избавляться? Самой вероятной гипотезой является «нашествие» транспозонов — своеобразных паразитических последовательностей ДНК, способных перемещаться в пределах генома хозяина, — которое когда-то пришлось пережить инфузориям. Существует несколько разновидностей транспозонов, и некоторые из них, для того чтобы перемещаться, пользуются специальным ферментом — транспозазой (чаще всего она закодирована в последовательности транспозона), которая осуществляет вырезание мобильного элемента из ДНК. Судя по всему, в процессе эволюции инфузории «одомашнили» транспозазы и стали ими пользоваться для удаления из генома последовательностей (IES), произошедших от транспозонов. В геномах макронуклеусов Tetrahymena и Paramecium имеется копия транспозазы из класса PiggyBac, а в геноме микронуклеуса Oxytricha найдено множество копий гена транспозазы класса Tc1/mariner (см. обзор: Plasterk R.H., 1999. Resident aliens. The Tc1/mariner superfamily of transposable elements, PDF, 240 Кб) — это огромный класс мобильных элементов, распространенных практически у всех организмов, начиная от грибов и заканчивая человеком.

В пользу того, что у современных инфузорий транспозазы работают на благо хозяина, вырезая IES-последовательности, говорит тот факт, что их ингибирование приводит к накоплению высокомолекулярной ДНК и наличию транспозонов в МАК-геноме (в норме все транспозоны из макронуклеуса удаляются). Проанализировав МАК-геном окситрихии, исследователи обнаружили еще два класса «домашних» транспозаз, которые могут участвовать в перестройке генома в процессе формирования макронуклеуса. По-видимому, для той же цели (борьбы с транспозонами), у окситрихи появилась система коротких и длинных некодирующих РНК, принимающих участие в перестройке генома.

В свете открытий последних лет молекулярная биология ресничных инфузорий представляется как набор универсальных механизмов, которые у многоклеточных эукариот представлены в сильно редуцированном и упрощенном виде. Если мы хотим глубже понимать природу геномных перестроек, происходящих при многих болезнях, такие модели, как Oxytricha trifallax, являются просто кладезем информации. Мобильные элементы, регуляция сборки генома некодирующими РНК, эпигенетическое наследование с участием РНК — всё это в изобилии имеется у одноклеточной инфузории, которую удобно размножать в лаборатории.

Дарья Спасская

Источники:

1. elementy.ru