Как-то раз цитолог Мари Делатр из Высшей нормальной школы Лиона (Франция) подглядывала в микроскоп за половым размножением крошечных нематод Mesorhabditis belari и вдруг увидела нечто неожиданное и для ее школы в высшей степени ненормальное. Покуда зигота червя делилась надвое и начетверо, в некоторых клетках просматривался необычный салат из крупно нашинкованной ДНК, свободно плававшей как внутри ядра, так и снаружи. «Я подумала, это был дохлый зародыш», – пускает слезу ученая. Однако эмбрион был в добром здравии, просто занимался тем, чем обычно занимаются мертвецы, – разрушением своего генома. И это не был какой-то случайный задохлик: то же самое происходило во всех эмбрионах нематоды!
Специалисты называют это явление программируемой элиминацией ДНК. Оно подразумевает целенаправленное избавление организма от части своего генома, вместо того чтобы бережно передать его целиком следующему поколению. Известно более сотни видов, практикующих ДНК-элиминацию: это и одноклеточные многоядерные инфузории, и многоклеточные животные – круглые черви (нематоды), веслоногие рачки (копеподы), многие насекомые, миноги, миксины, певчие птицы и даже бандикуты. Выявить ее непросто, и никто толком не знает, насколько она в действительности распространена. «Она не слишком хорошо известна даже среди биологов», – отмечает Делатр. «ПЭДНК?» – переспрашиваем мы. «А что это?» – зависла она.
Несмотря на кажущуюся новизну, феномен был открыт еще на заре молекулярной биологии, задолго до того, как наука узнала о ДНК как носителе генетической информации. В 1887 году немецкий биолог Теодор Бовери изучал развитие эмбриона гигантской нематоды Parascaris univalens – многометровой аскариды из ЖКТ лошади – и наблюдал, как ее хроматин (ДНК и белки хромосом) во время митоза конденсируется, фрагментируется и затем вновь собирается в ядре, но в меньшие комки. Недостающее генетическое вещество, похоже, бесцеремонно элиминировалось. На протяжении XX века ПЭДНК была выявлена у десятков существ, но оставалась маргинальной концепцией, а главное, непонятным было ее экзистенциальное предназначение.
Элиминации ДНК приписывают разные функции: возможно, это такой радикальный способ инактивировать гены путем тотального удаления, либо таким образом регулируется экспрессия генов и транспозонов. Исследование Делатр помимо обнаружения ПЭДНК у нового существа намекает на следующее объяснение феномена: возможно, так клетки избавляются от ненужных последовательностей ДНК, которые в лучшем случае просто не используются, а в худшем – тяготят. Чтобы геном оставался функциональным и продуктивным, как зеленая лужайка, клетка, словно садовник, пропалывает его от генетических сорняков. Мужик с возу – мерину легче, как говорят эмансипированные бабы на кобылах.
В своем исследовании Делатр и коллеги сравнивали геномы клеток зародышевой линии (например, сперматозоидов и яйцеклеток) с геномами соматических (не участвующих в репродукции) клеток взрослых нематод M. belari. В соматических геномах отсутствовали длинные цепочки ДНК, которые в половых геномах присутствовали: в какой-то момент эмбриогенеза – на стадии между 7 и 32 клетками – эти огромные куски ДНК куда-то пропадали. Наблюдения под микроскопом показали, что во время репликации генома 20 хромосом распадались на фрагменты и затем собирались в 40 миниатюрных хромосомочек, при этом значительное число фрагментов оставалось несобранным. Всего элиминировалось около трети изначального генома – по большей части повторяющиеся последовательности ДНК, которые не кодируют никаких генов.
Геномы эукариотических клеток полнятся подобными последовательностями. Некоторые из них выполняют важные функции. К примеру, сателлитная ДНК составляет гетерохроматин (конденсированный хроматин) теломерных и центромерных областей хромосом. Другие повторяющиеся последовательности регулируют экспрессию генов. Однако некоторые вообще никак не вкладываются в жизнеобеспечение организма, а то и вовсе ему мешают. Таковы, например, транспозоны – «прыгающие гены», которые эгоистично используют репликационный аппарат клетки для личного воспроизводства в тысячах или даже миллионах копий. Для самой клетки это напрасная трата времени и энергии, в том числе на то, чтобы подавлять эти последовательности с помощью эпигенетических меток или путем уничтожения транскрибируемых с них РНК. Как вариант, можно устранить транспозоны посредством ПЭДНК. Именно это, подозревает Делатр, и делают нематоды M. belari, равно как и прочие адепты программируемой элиминации ДНК.
Справедливости ради, транспозоны и другие самореплицирующиеся дээнкашечки все-таки могут иногда сослужить геному конструктивную службу. Так, копируя себя в гаргантюанских объемах и расселяясь прыжками по геному, транспозоны являют собой благодатный материал для новых генов, которые могут возникать из некодирующих последовательностей в результате мутаций. Фрагменты паразитических ДНК могут встраиваться в хозяйский геном и, оказавшись в чем-то полезными, становиться его неотъемлемой частью. Повторяющиеся ДНК – неиссякаемый источник генетических новшеств. И даже Делатр не уверена в полной мере, что программируемая элиминация нужна для борьбы с транспозонами. И хотя та ДНК, что элиминируется у M. belari, является вредной, «зачем избавляться от нее только в соматических клетках, но не в зародышевой линии?» – вопрошает цитолог.
С помощью ПЭДНК клетки также могут оптимизировать геномы, последовательно устраняя гены, уже не нужные на достигнутой стадии развития. Многие гены, важные для эмбриогенеза, не играют никакой роли во взрослом организме. При этом они усложняют геном, его репликацию и «техподдержку», а неадекватная экспрессия таких генов в зрелости может вызывать проблемы. Так почему бы соматическим клеткам, которым не нужно передавать полный геном следующему поколению, ради повышения эффективности просто не сбросить этот лишний груз – так сказать, облегчиться? Недаром аббревиатура ПЭДНК напоминает звук упавшего катяха.
Все это, конечно, лишь предположения, и программируемая элиминация ДНК в целом по-прежнему завешана тайной, мало изучена и будто бы противоречит привычным генетическим концепциям. С «ночными кошмарами Менделя» сравнили ее авторы прошлогодней статьи о певчих птицах, многие из которых, если не все, элиминируют целую хромосому в соматических клетках в процессе эмбрионального развития. Несомненно, ПЭДНК распространена среди эукариот намного шире, чем в настоящее время известно. И чем лучше будет понимание того, у каких видов она встречается, тем ближе мы будем к ответу на вопрос, почему они прибегают к столь радикальному и потенциально рискованному способу регуляции своего генома.
Текст: Виктор Ковылин. По материалам: Quanta Magazine
Вас также могут заинтересовать статьи:
Паразитические нематоды заставляют птицеедов вставать на цыпочки
Прыг-скок ретротранспозон – и буренка уже на четверть питон
Из грязи в князи, из геенны в гены
Комментарии: