Российские биологи обнаружили у животных новый метод редактирования генома

Съедобные лягушки умеют редактировать собственный геном, и теперь учёные выяснили, как это у них получается.
Фото Wikimedia Commons.

Так как половым клеткам предстоит слияние с клеткой второго родителя, они имеют лишь половину будущего набора хромосом.
Иллюстрация Pixabay.

Открытие может привести к созданию новых методов редактирования генома.
Иллюстрация Pixabay.

Микроядра, формирующиеся в клетках гибридных лягушек (а) и их трёхмерная реконструкция (б).
Иллюстрация Дмитрия Дедуха.

Съедобные лягушки славятся тем, что перед образованием половых клеток удаляют из своего генома половину ДНК. Теперь исследователи из России и Польши выяснили, как это у них получается. Ответ оказался неожиданным.

Биологов удивило то, что "лишние" части ДНК уничтожаются не единовременно, а постепенно, в процессе многих делений клетки.

"Ранее постепенное удаление генетического материала было обнаружено только у растений", – объясняет первый автор исследования Дмитрий Дедух из Санкт-Петербургского государственного университета.

Помимо фундаментальной ценности, открытие может оказаться и практически полезным. Ведь обнаруженное явление может стать основой новых технологий редактирования генома.

Когда хромосомы рвутся на части

Чтобы объяснить суть открытия, напомним, как образуются половые клетки у животных. Объясним это на примере лягушек, раз уж речь о них. Впрочем, точно так же всё происходит и у человека. Отличается разве что число хромосом: у человека их 46, а у квакающих созданий – 26.

Итак, обычная (не половая) клетка лягушки содержит 13 пар хромосом. В каждой такой паре одна хромосома унаследована от отца, а другая – от матери.

При этом в организме животного существует особый вид клеток, которые называются клетками зародышевой линии (КЗЛ). Они обособляются от остальных клеток, когда амфибия находится ещё на стадии эмбриона. Когда же земноводное достигает периода полового созревания, из КЗЛ начинают производиться сперматозоиды или яйцеклетки. Те и другие объединяются под названием половых клеток, или гамет.

Перед делением каждой КЗЛ все хромосомы в ней удваиваются (было 26, стало 52). В итоге клетка зародышевой линии порождает четыре половые клетки по 13 хромосом в каждой.

Так как половым клеткам предстоит слияние с клеткой второго родителя, они имеют лишь половину будущего набора хромосом.

Однако есть в этом процессе важный нюанс. Можно было бы подумать, что 52 получившиеся хромосомы мирно расходятся по четырём гаметам в целости и сохранности. Но на самом деле всё куда сложнее.

Рассмотрим две хромосомы из одной пары в клетке зародышевой линии. Обозначим хромосому, несущую ДНК отца О, а ДНК матери – М.

Перед образованием гамет каждая из хромосом О и М разрывается на две части: О1, О2, М1 и М2. Затем фрагмент О1 склеивается с фрагментом М2 и образуется новая хромосома О1 + М2. Аналогично, фрагмент М1 склеивается с фрагментом О2 и образуется новая хромосома М1 + О2. (Этот процесс обмена участками хромосом называется кроссинговером). И уже эти новые хромосомы в дальнейшем попадают в гаметы.

Эволюция, зачем так сложно?

Зачем природе такая сложная и чреватая непредвиденными сбоями процедура как кроссинговер? Смысл её в том, чтобы разные дети одних и тех же родителей имели разные геномы.

Есть множество причин, по которым генетическая непохожесть детей одной пары делает естественный отбор гораздо более эффективным. Приведём только один пример.

Пусть лягушка Вася унаследовал от отца полезную мутацию в участке О1, а вредную в участке O2. Благодаря кроссинговеру у Васи будут сперматозоиды двух типов: О1 + М2 и М1 + О2. Таким образом, в сперматозоиды первого типа попадает полезная отцовская мутация, а в сперматозоиды второго – вредная.

Это значит, что у Васи найдутся потомки-"неудачники", унаследовавшие только вредное изменение генов, и потомки-"счастливчики", получившие только полезный генетический подарок. Естественный отбор атакует первых и поддержит вторых. Таким образом вредная мутация со временем исчезнет из популяции, а полезная сохранится и распространится. Но это было бы невозможно, если бы ДНК отца Васи не разделилась по разным хромосомам в процессе кроссинговера.

Открытие может привести к созданию новых методов редактирования генома.

Жертвы кроссинговера

Однако кроссинговер, являющийся благом для вида в целом, оказался сущим бедствием для межвидовых гибридов. Напомним, что такие гибриды получаются при скрещивании особей разных видов. И кроссинговер лишает почти всех таких полукровок шанса продолжить род.

Вспомним, например, о мулах. Мул, как известно, является отпрыском осла и кобылы. Каждая пара его хромосом состоит из отцовской ослиной хромосомы О и материнской кобыльей хромосомы М.

При образовании гамет хромосомы разрываются надвое. Их участки пытаются объединиться… и не могут. Хромосома О1 + М2 не образуется, М1 + О2 – тоже. Потому что материнский и отцовский участки принадлежат разным видам и слишком отличаются друг от друга, чтобы соединиться в одну хромосому.

Именно поэтому мулы бесплодны. Почти все остальные межвидовые гибриды – тоже. Но есть и исключения. Одно из них – съедобная лягушка (в честь её способности размножаться ей даже дали название, как настоящему виду: Pelophylax esculentus). Эти существа, лапками которых так любят лакомиться французы, нашли замечательный выход из положения.

Стать другим видом

Съедобная лягушка – это гибрид озёрной лягушки (P. ridibundus) и прудовой лягушки (P. lessonae). Половина хромосом в клетке такой амфибии принадлежит одному виду, а половина – другому. Казалось бы, это обрекает кроссинговер на неудачу, а земноводных на бесплодие.

Однако съедобные лягушки успешно производят гаметы. Но… это как будто не их гаметы. Сперматозоид или яйцеклетка такого земноводного содержит либо исключительно гены озёрной лягушки, либо исключительно гены прудовой. Другая половина гибридного генома просто куда-то девается.

Биологи давно знают об этом феномене. Но только сейчас они разобрались в том, как животным удаётся провернуть такой трюк.

Как они это делают

Учёные из России совместно с коллегами из Польши показали, что клетки зародышевой линии съедобных лягушек постепенно теряют хромосомы одного из видов, оставляя в сохранности хромосомы другого.

Исследователи создавали гибридов, искусственно оплодотворяя лягушачью икру. Затем они проследили за составом хромосом в КЗЛ, проверяя его еженедельно.

Биологи обнаружили, что в ядрах КЗЛ съедобных лягушек образуются особые структуры – микроядра. Таких составляющих нет в клетках ни озёрных, ни прудовых лягушек. Каждое микроядро содержит одну хромосому, причём именно ту, которая вскоре будет потеряна.

Микроядра, формирующиеся в клетках гибридных лягушек (а) и их трёхмерная реконструкция (б).

"Избирательная утилизация хромосом происходит, скорее всего, непосредственно во время деления клеток зародышевой линии. Хромосомы располагаются в центре, или экваторе, клетки, чтобы прикрепиться к веретену деления, которое распределяет их между двумя дочерними клетками. Но часть хромосом, принадлежащая одному из родительских видов, отстаёт", – объясняет Дедух.

Хромосомы, не успевшие прикрепиться к веретену деления, обречены на гибель. Они не попадают в ядро ни одной из двух дочерних клеток. Работающие в них гены пытаются создать вокруг себя отдельное ядро со всеми удобствами. Но у них получаются только те самые микроядра, неполноценные и неспособные поддерживать работу хромосом. Со временем эти хромосомы погибают и утилизируются клеткой.

Такая участь всегда постигает только хромосомы одного из видов. Съедобная лягушка, живущая в популяции озёрных, "отдаёт на заклание" только хромосомы своих прудовых предков, и наоборот.

Учёным ещё предстоит выяснить, как амфибия "объясняет" клетке, какие хромосомы ей не нужны. Подобные механизмы пока известны лишь для одноклеточных организмов (в частности, инфузорий).

Впоследствии клетка зародышевой линии претерпевает деление за делением, и постепенно утрачивает все "прудовые" (или, наоборот, все "озёрные") хромосомы. Когда "прудовая" хромосома погибает, парная ей "озёрная" хромосома удваивается, и наоборот. Таким образом, к моменту полового созревания животного её КЗЛ содержит ДНК только одного вида. Это значит, что хромосомы без проблем совершают кроссинговер, дающий начало гаметам.

Так съедобная лягушка, живущая среди прудовых, производит на свет прудовых лягушек, а живущая среди озёрных – озёрных. В числе прочего это означает, что её потомство не съедят французы, а это ли не повод для радости?

Почему это важно

А вот у биологов поводы для радости другие. Во-первых, выяснен механизм интереснейшего биологического феномена. Во-вторых, расширилось наше представление о разнообразии жизни. Повторим, что постепенный "сброс" генетического материала ранее никогда не наблюдался у животных.

Генные инженеры тоже могут заинтересоваться этой темой. Ведь открытое авторами явление может дать начало новым методам редактирования генома, меняющим не гены по отдельности, а число хромосом.

Напомним, что селекционерами давно выведены полиплоидные (то есть имеющие не двойной, а тройной и более набор хромосом) сорта культурных растений. Но это в определённом смысле было удачей: специалисты воспользовались результатами случайных мутаций. А если благодаря новому открытию создание таких сортов будет поставлено на поток, то съедобными лягушками можно будет накормить не только любителей французской кухни.

Помочь человеку?

У человека изменение числа хромосом не ведёт ни к чему хорошему. Достаточно вспомнить о синдроме Дауна, связанном с наличием в клетках лишней хромосомы. Но, кто знает, возможно, в будущем биологи научат человеческие клетки брать пример с лягушачьих и избавляться от ненужного генетического груза при делении.

Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.

Работа была поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как зелёный чай подарил учёным новый инструмент генной терапии, а также об улучшении технологии редактирования генов CRISPR.