Программа перестройки генома записана в РНК
|
Американские биологи обнаружили, что геномные перестройки, происходящие в ходе развития инфузории Oxytricha, управляются «программой», записанной в молекулах РНК. Вводя в клетку искусственно синтезированные молекулы РНК, можно целенаправленно менять «рабочий» геном, хранящийся в большом ядре и определяющий строение и поведение инфузории. Второй геном, не работающий, хранится в малом ядре и служит исключительно для передачи генов потомству. Открытие показало, что большая и очень важная часть наследственной информации у инфузорий передается вместе с молекулами РНК, представляющими собой копии хромосом большого ядра.
Времена, когда любые изменения генома считались абсолютно случайными, давно канули в прошлое. Сегодня хорошо известно, что живая клетка обладает большим арсеналом средств, позволяющих управлять генетическими изменениями. Вот лишь несколько примеров:
- Бактерии могут целенаправленно увеличивать частоту мутирования при неблагоприятных условиях (см.: Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005).
- Некоторые микробы нарочно перестраивают гены своих поверхностных белков, чтобы уйти из-под удара иммунной системы (см.: Гонококки обманывают иммунную систему, внося контролируемые изменения в свой геном, «Элементы», 31.05.2006).
- Клетки иммунной системы целенаправленно меняют свой геном, создавая гены новых антител и Т-клеточных рецепторов путем перекомбинирования фрагментов ДНК и «гипермутирования» (см.: Мутагенез в лимфоцитах — результат целенаправленного изменения ДНК и последующей «неточной починки», «Элементы», 03.09.2007).
- Подвижные генетические элементы, если дать им волю, способны переворошить весь геном, но клетка может регулировать их активность по своему усмотрению (см.: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007).
- Метилирование ДНК — один из «эпигенетических» механизмов регуляции активности генов — предсказуемым образом влияет на вероятность мутирования отдельных нуклеотидов (см.: Б. Ф. Ванюшин. Материализация эпигенетики, или Небольшие изменения с большими последствиями, Pdf, 180 Кб).
Одним из самых удивительных примеров целенаправленной перестройки генома является формирование макронуклеуса (большого ядра) у инфузорий. «Элементы» уже обращались к этой теме в прошлом году (см.: Число генов в геноме инфузории оказалось таким же, как у человека, «Элементы», 07.09.2006; в этой заметке приводятся также и основные сведения о генетике и жизненном цикле инфузорий).
За прошедший год наука очень далеко продвинулась в понимании управляемых геномных перестроек у инфузорий. Новая статья американских биологов, опубликованная в журнале Nature, представляет собой очень важный прорыв в этой области.
Инфузории — самые сложные из одноклеточных организмов, и вообще — верх того, что смогла создать эволюция на одноклеточном уровне. Строение инфузорий во многом напоминает многоклеточных, даром что клетка всего одна. Например, у многоклеточных животных различают линию генеративных клеток, геном которых оберегается от всяческих изменений (ведь именно этот геном будет передан по наследству потомкам), и соматические клетки, геном которых может меняться по мере надобности (например, могут метилироваться или вовсе выбрасываться какие-то части генома, не нужные в данной ткани или органе, или могут происходить сложные целенаправленные перестройки, как в лимфоцитах). Генетические изменения соматических клеток в норме не передаются по наследству. У инфузорий тоже есть два генома — генеративный и вегетативный (соматический). Первый хранится в маленьком ядре (микронуклеусе), содержит кучу транспозонов и некодирующих участков, и в целом находится в нерабочем состоянии, если не сказать — в полном хаосе. Например, многие гены в нем разорваны на куски и перемешаны в такой клубок, что никаким сплайсингом не распутать. Но, тем не менее, это нормальный, хотя и сильно запущенный, большой эукариотический геном. Кстати, число генов у инфузорий и у человека примерно одинаково (порядка 30 тысяч). Геном микронуклеуса, естественно, не работает (он и не смог бы), и служит только для передачи генов потомству при половом размножении.
Вегетативный (соматический, рабочий) геном инфузории хранится в большом ядре (макронуклеусе) и по многим параметрам сильно отличается от других эукариотических геномов. У инфузории Oxytricha, которой посвящена обсуждаемая статья, он состоит из многих тысяч отдельных «нанохромосом». Это настоящие хромосомы, только очень маленькие, обычно содержащие всего один ген. Каждая нанохромосома, или МАК-хромосома, присутствует в макронуклеусе в очень большом количестве копий. Соответственно, и весь вегетативный геном многократно сдублирован, то есть макронуклеус является полиплоидным (микронуклеус — диплоидное ядро).
По размеру вегетативный геном окситрихи в целых 20 раз меньше генеративного (50 млн и 1 млрд пар оснований соответственно; для сравнения, у человека — 3 млрд, у бактерий — обычно до 10 млн). Такое радикальное сокращение достигается просто за счет выбрасывания из генеративного генома всего «лишнего».
Инфузории размножаются делением, при этом делятся оба ядра. Время от времени инфузории конъюгируют — соединяются попарно, чтобы обменяться наследственным материалом (конъюгация — особая разновидность полового процесса). Во время конъюгации микронуклеус претерпевает мейоз, то есть такое деление, в ходе которого число хромосом сокращается вдвое. Соединившиеся инфузории обмениваются «половинками» своих микронуклеусов. Эти половинки затем сливаются, и каждая инфузория получает один целый микронуклеус, в котором половина хромосом — ее собственная, а половина получена от партнера. Затем инфузории разъединяются и продолжают жить как жили, с той небольшой разницей, что с точки зрения генетики каждая из них теперь превратилась в свою собственную дочь.
Во время конъюгации или сразу после нее макронуклеус вместе со своим геномом разрушается, а затем восстанавливается заново. За основу берется генеративный геном микронуклеуса, но он при этом подвергается радикальной перестройке. 95% генеративного генома просто удаляется. «На выброс» идут практически все транспозоны и некодирующие последовательности. Остаются чистые гены, почти без примесей. Но реорганизация генома не сводится к удалению мусора. Происходит также «распутывание» — сборка работающих генов из разрозненных и перепутанных обрывков. Как мы помним, многие гены в генеративном геноме разорваны на мелкие кусочки и перемешаны. В промежутках между этими кусочками могут находиться длинные некодирующие вставки. Это не обычные интроны, которые удаляются при сплайсинге (интроны у инфузорий тоже есть, но они входят в состав сохраняемых фрагментов). Это особые, характерные только для инфузорий «лишние» куски генома, удаляемые при формировании вегетативного генома макронуклеуса.
Например, в генеративном геноме ген может иметь такую структуру: 2X7X5X4X8X1X3X6 (цифрами обозначены «рабочие» фрагменты гена, буквой X — «ненужные» вставки различной длины). В вегетативном геноме этот ген будет выглядеть так: 12345678.
Откуда клетка знает, в каком порядке нужно соединять обрывки? До сих пор ответа на этот вопрос не было.
Исследователи из Принстонского университета установили, что для «распутывания» генетической информации инфузории используют образцы (матрицы), представляющие собой молекулы РНК, считанные с нанохромосом макронуклеуса (МАК-хромосом) перед тем, как макронуклеус был разрушен.
|
Чтобы это выяснить, пришлось провести много сложных экспериментов.
Для проверки гипотезы о роли РНК-матриц в сборке МАК-хромосом исследователи воспользовались методом РНК-интерференции. Инфузорий кормили генно-модифицированными бактериями, производящими двухцепочечные молекулы РНК, совпадающие по последовательности нуклеотидов с фрагментом одной из МАК-хромосом. Эукариотические клетки относятся к двухцепочечным РНК с опаской, принимают их за вирусов и начинают уничтожать все РНК с такой последовательностью нуклеотидов, в том числе и обычные, одноцепочечные. На этом основана методика «выключения» генов. Идея состояла в том, что, поев бактерий, инфузория сама уничтожит одну из РНК-матриц, необходимых ей для сборки МАК-хромосом. Так и вышло. В результате после конъюгации получились инфузории, у которых соответствующий участок одной из МАК-хромосом оказался собран неправильно или вообще не собран — просто оставлен в том виде, в каком он был в МИК-хромосоме. При этом все остальные МАК-хромосомы были собраны правильно.
Стало быть, РНК-матрицы действительно участвуют в программируемой перестройке генома. Но что они собой представляют — являются ли они копиями целых нанохромосом или отдельных их участков?
Исследователи стали выделять и анализировать РНК из инфузорий на разных стадиях жизненного цикла. Выяснилось, что через несколько часов после конъюгации (как раз тогда, когда старый макронуклеус разрушается, а новый начинает формироваться) в клетках появляются длинные транскрипты (молекулы РНК), соответствующие целым МАК-хромосомам вместе с концевыми участками — теломерами. Через 30–50 часов после конъюгации эти транскрипты исчезают.
Таким образом, перед тем как уничтожить макронуклеус вместе с вегетативным геномом, клетка снимает «резервную копию» с каждой МАК-хромосомы. Эта копия, представляющая собой молекулу РНК, в дальнейшем используется как образец для сборки новых маленьких и аккуратных МАК-хромосом из того безобразия, которое записано в МИК-хромосомах.
Следующий вопрос состоял в том, насколько точно РНК-матрицы регулируют процесс сборки МАК-хромосом и можно ли управлять этим процессом, внедряя в клетку искусственные РНК-матрицы? Исследователи синтезировали несколько молекул РНК, похожих на «настоящие» РНК-матрицы, но с измененным порядком фрагментов. Например, если для МИК-гена со структурой 2X7X5X4X8X1X3X6 правильная РНК-матрица имеет вид 12345678, то в искусственной матрице какую-нибудь пару фрагментов меняли местами (например, так: 13245678).
Впрыскивание таких матриц в инфузорий после конъюгации приводило к формированию МАК-хромосом двух типов: одни воспроизводили правильный порядок фрагментов (ведь правильные матрицы из клеток не удалялись), другие — тот, который присутствовал в искусственных матрицах. Напомним, что каждая МАК-хромосома в макронуклеусе присутствует в огромном количестве копий. Таким образом, РНК-матрицы осуществляют весьма точное управление процессом сборки МАК-хромосом, и при помощи искусственных матриц можно направлять этот процесс в желаемую сторону.
Следующий важный вопрос: регулируют ли РНК-матрицы сборку только тех генов, которые в генеративном геноме перемешаны (то есть имеют неправильный порядок фрагментов) или же этот механизм универсален и применяется ко всем генам без исключения?
Исследователи изготовили и ввели в инфузорий РНК-матрицы с неправильным порядком фрагментов для тех генов, которые в генеративном геноме не перемешаны и потому в «распутывании» не нуждаются (из них нужно только вырезать «лишние» куски). В итоге соответствующие гены в МАК-хромосомах оказались неправильно собраны. Значит, механизм универсален.
Из этого, кстати, следует интересный эволюционный вывод. Поскольку у инфузорий уже развилась универсальная система «распутывания» измельченных и перепутанных генов, дальнейшая фрагментация МИК-генов и перестановки их частей уже не будут отсеиваться отбором. Ведь есть распутывающий механизм, ему всё равно, он всё исправит. Видимо, потому-то МИК-геномы инфузорий и пришли постепенно в состояние хаоса.
Глядя на рисунок, можно понять, что система изначально могла развиться просто для удаления лишних кусков генома, а «распутывающая» функция ее возникла при этом автоматически, сама собой, как некий довесок — сначала ненужный, но потом ставший необходимым.
Таким образом, информация о последовательности, в которой нужно сшивать обрывки генов генеративного генома, передается потомству инфузорий «неклассическим» способом — в виде молекул РНК. А ведь это не такая уж маленькая часть наследственной информации!
Могут ли РНК-матрицы передавать потомству также и информацию о последовательности отдельных нуклеотидов? До сих пор речь у нас шла только о последовательности фрагментов генов, то есть о кусках длиной в десятки и сотни нуклеотидов. Каждый ген, как известно, может существовать в виде нескольких вариантов (аллелей), различающихся единичными нуклеотидными заменами или вставками. Поэтому соответствие РНК-матрицы и собираемых на ее основе МАК-хромосом далеко не всегда является абсолютным. Отдельные нуклеотиды могут различаться, и это не мешает правильной сборке.
В принципе, не исключено, что какие-то нуклеотидные замены могут передаваться из РНК-матрицы в собираемую МАК-хромосому. Конечно, инфузориям нет смысла переносить в МАК-хромосому все различия такого рода. Ведь тогда МАК-хромосомы после конъюгации оставались бы полностью идентичными материнским, и конъюгация потеряла бы всякий смысл. Но, как выяснилось, некоторые нуклеотидные замены все-таки переносятся в МАК-хромосомы из РНК-матриц. Это, однако, происходит не по всей длине собираемого гена, а только в непосредственной близости от мест «сшивки» фрагментов. Это очень важный факт, однозначно свидетельствующий о том, что в сшивке кусочков ДНК у инфузорий принимает участие только что открытый (у дрожжей) механизм починки ДНК на основе РНК-матриц (см.: РНК служит матрицей для исправления повреждений в ДНК, «Элементы», 21.05.2007).
Могут ли подобные системы редактирования генома, основанные на использовании РНК-матриц, работать и у других организмов, а не только у инфузорий? Почему бы и нет? Нужно искать. Череда открытий последних лет однозначно показывает, что живая клетка по-прежнему таит в себе множество неизвестных нам молекулярных механизмов, в том числе и таких, которые используются для целенаправленного изменения собственного генома.
Источник: 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.
О передаче наследственной информации при помощи РНК см. также:
1) Механизм неменделевской наследственности остается загадочным, «Элементы», 17.10.2007.
2) Наследственная информация записана не только в ДНК, «Элементы», 01.06.2006.
3) Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007.
Александр Марков
