Число генов в геноме инфузории оказалось таким же, как у человека
|
Прочтение генома инфузории Tetrahymena thermophila преподнесло исследователям сразу несколько сюрпризов. Оказалось, что число генов у этого одноклеточного организма такое же, как у человека. Генетический код, используемый инфузорией, оказался несколько иным, чем у всех других организмов: все три стоп-кодона у тетрахимены могут использоваться для кодирования аминокислот. Кроме того, выяснилось, что инфузория умеет эффективно удалять из рабочих копий своего генома весь «мусор» — повторяющиеся и чужеродные фрагменты. Потомство, однако, всегда получает в наследство «неочищенный» вариант генома.
Если число прочтенных на сегодняшний день геномов прокариот (бактерий и архей) приближается к четыремстам (вот список), то с эукариотами, к которым относимся и мы с вами, дело обстоит на порядок хуже — прочтено лишь около 40 геномов. Не удивительно, что каждый новый прочтенный эукариотический геном — большое событие для биологической науки.
В сентябрьском номере высокорейтингового журнала Plos Biology большая группа биологов, включающая свыше 50 исследователей из США и Канады, опубликовала первые результаты анализа только что прочтенного ими генома инфузории Tetrahymena thermophila. Этот одноклеточный эукариотический организм, очень быстро размножающийся на различных искусственных средах, является одним из классических модельных объектов в биологии.
У тетрахимены, как у всех инфузорий, есть два клеточных ядра — маленький микронуклеус, содержащий две копии генома (пять пар хромосом), и большой макронуклеус с многократно дуплицированным геномом (несколько сотен хромосом). Микронуклеус бережно хранит наследственный материал для передачи следующим поколениям, но его гены практически не работают. Гены макронуклеуса, напротив, активно работают (то есть транскрибируются — считываются и используются для синтеза белков), но они обречены на уничтожение и не могут быть переданы далеким потомкам.
Инфузории, как и другие простейшие, размножаются делением, причем делятся оба ядра. Однако такое бесполое размножение не может длиться бесконечно долго: рано или поздно инфузории должны сливаться попарно и обмениваться наследственным материалом. В ходе этого полового процесса (конъюгации) макронуклеус разрушается вместе со всеми своими генами. В обмене наследственным материалом участвуют только микронуклеусы. Поэтому следующее поколение инфузорий (образовавшееся после полового процесса) получает лишь те гены, которые хранились в микронуклеусах родителей. Микронуклеус снова делится пополам, и одно из дочерних ядер начинает расти и превращается в новый макронуклеус.
Ранее было установлено, что в ходе образования макронуклеуса геном не только многократно дублируется, но и модифицируется: длинные хромосомы разрезаются на несколько более мелких, некоторые фрагменты генома удаляются, другие меняются местами. Масштаб этих преобразований оставался неясным, не говоря уже о том, какие механизмы им руководят и зачем всё это нужно. Чтобы разобраться в этой непростой проблеме, необходимо прочесть геномы обоих ядер — большого и малого.
Исследователям удалось пока прочесть только геном макронуклеуса (это значительно легче технически). Прочтение генома микронуклеуса должно стать следующим этапом исследования, но многие интересные выводы можно сделать уже сейчас.
Во-первых, геном инфузории оказался неожиданно велик, причем не столько по своей длине (105 миллионов пар оснований — это в 30 раз меньше, чем у человека, и примерно во столько же раз больше, чем у среднестатистической бактерии), сколько по числу генов. Как выяснилось, геном одноклеточной тетрахимены содержит свыше 27 тысяч генов, кодирующих различные белки, — примерно столько же, сколько геном человека (и значительно больше, чем другие прочтенные геномы одноклеточных). Это еще раз подтверждает, что между сложностью организма и числом генов нет строгой корреляции. Дело, очевидно, не в количестве генов, а в их качестве, взаимном расположении или контексте (точно так же нет строгой корреляции между толщиной книги и ее содержательностью).
Вторая необычная особенность генома инфузории состоит в чрезвычайно низком содержании повторяющихся нуклеотидных последовательностей и мобильных генетических элементов (транспозонов): они занимают всего 2% генома (у человека — около 50%). Функциональная роль повторяющихся последовательностей остается неясной: традиционно их считали бессмысленным «мусором», в последние годы появились некоторые сомнения в их бесполезности. Возможно, некоторые из этих последовательностей важны для регуляции экспрессии (работы) генов. Кроме того, известно, что многочисленные повторы и мобильные элементы придают геному пластичность и повышают вероятность различных геномных перестроек (например, транслокаций — перемещений фрагментов ДНК на другую хромосому или на новое место в той же хромосоме).
Исследователи пришли к выводу, что низкое содержание повторов и мобильных элементов в геноме макронуклеуса тетрахимены объясняется тем, что почти весь «мусор», имеющийся в геноме микронуклеуса, удаляется при формировании большого ядра. Это, в свою очередь, ставит перед учеными новую неожиданную проблему: если в принципе возможен и реально существует эффективный механизм, позволяющий в одночасье удалить из генома всё «лишнее», и этот механизм успешно работает при формировании рабочего ядра (макронуклеуса), то с какой целью инфузории, как и все прочие эукариоты включая человека, бережно хранят весь этот мусор в своем основном геноме — в том, который передается по наследству потомкам?
Если в тех манипуляциях, которые инфузория проделывает со своим геномом, есть какой-то смысл, то следует признать, что повторы, очевидно, не нужны для нормальной работы генов и для жизнеобеспечения организма, ведь они удаляются именно из «рабочей копии» генома. Зачем же тогда они передаются потомкам? Неужели только для того, чтобы геном сохранял пластичность, то есть для поддержания определенной частоты геномных перестроек? Но в таком случае мы имеем дело с некой адаптацией, направленной не на выживание конкретной особи и ее репродуктивный успех, а на оптимизацию эволюционного процесса — с адаптацией к эволюции! Надо сказать, что возможность существования таких адаптаций долгое время не признавалась научным миром и до сих пор не приемлется многими биологами.
Третья странность генома инфузории состоит в том, что в нем используется только один стоп-кодон, а не три, как у большинства живых организмов. Стоп-кодон — это три нуклеотида, стоящие в конце любого гена и играющие роль точки в конце предложения: они сигнализируют рибосоме (молекулярной машинке, осуществляющей синтез белка на основе записанной в гене «инструкции»), что на этом месте синтез белка нужно прекратить. У тетрахимены роль стоп-кодона выполняет только одна последовательность нуклеотидов — УГА. Два другие классические стоп-кодона (УАА и УАГ) у тетрахимены кодируют аминокислоту глутамин. Впрочем, и триплет УГА у тетрахимены не всегда обозначает конец гена. В некоторых случаях (это зависит от нуклеотидного «контекста») эти три нуклеотида кодируют редкую аминокислоту селеноцистеин. Таким образом, тетрахимена оказалась единственным из изученных на сегодняшний день организмов, у которого могут транслироваться (то есть «переводиться» в последовательность аминокислот белковой молекулы) все 64 триплета.
Прочтение генома тетрахимены позволило окончательно разрешить один из спорных вопросов эволюции одноклеточных эукариот. Поскольку некоторые близкие родственники инфузорий имеют пластиды — органы фотосинтеза, ведущие свое происхождение от симбиотических цианобактерий — многие исследователи полагали, что предки инфузорий когда-то тоже имели пластиды, но впоследствии их утратили. В этом случае в геноме инфузорий должны были сохраниться хотя бы какие-то остатки цианобактериальных генов. Дело в том, что после приобретения древними эукариотами внутриклеточных симбионтов — будущих митохондрий и пластид — большая часть генома этих симбионтов была перенесена в ядро, то есть в геном клетки-хозяина.
Однако исследователи не обнаружили в геноме тетрахимены никаких признаков того, что ее предки когда-либо имели пластиды. Это означает, что родственники инфузорий (динофлагелляты) приобрели пластиды уже после разделения эволюционных линий этих двух групп одноклеточных.
Источник: J. A. Eisen et al. Macronuclear Genome Sequence of the Ciliate Tetrahymena thermophila, a Model Eukaryote // PLoS Biology. Volume 4. Issue 9 (сентябрь 2006).
Александр Марков
