Helge Busch-Paulick (Grand-Duc @ Wikipedia)
Российские и польские ученые обнаружили механизм, с помощью которого гибридные лягушки «выкидывают» половину своих генов, чтобы иметь возможность размножаться. Оказывается, генетический материал постепенно удаляется из ядер клеток-предшественников яйцеклеток и сперматозоидов во время развития головастика при помощи особых структур — микроядер. Открытый механизм может стать ключом к разработке новых методов редактирования генома. Статья опубликована в Scientific Reports. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.
«Мы впервые описали подобный характер удаления генетического материала у гибридов позвоночных животных. Ранее постепенное удаление генетического материала было обнаружено только у растений», — рассказал младший научный сотрудник кафедры цитологии и гистологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), кандидат биологических наук Дмитрий Дедух.
Поддержание целостности генетического материала необходимо для нормальной жизнедеятельности клеток и передачи генов из поколения в поколение. Любые нарушения целостности генома, вызванные стрессовыми факторами, такими как ионизирующая радиация, токсичные вещества, старение или онкологическая трансформация, обычно приводят к гибели клеток. Однако некоторые живые существа способны удалять значительную часть (иногда до 90%) генетического материала в ходе развития, и при этом нормально жить и размножаться. Такие организмы обнаружены среди межвидовых гибридов: результата скрещивания двух родительских видов. Один из наиболее распространенных примеров — съедобная лягушка Pelophylax esculentus, лапки которой популярны во французской кухне.
Половина набора генов этих животных принадлежит озерной лягушке, половина — прудовой. Как правило, межвидовые гибриды неспособны к размножению, так как хромосомы разных видов сильно отличаются друг от друга, и не способны к рекомбинации — обмену своими участками, необходимому для образования половых клеток. Но съедобные лягушки «научились» манипулировать своим геномом, чтобы избежать проблем при образовании половых клеток и нормально воспроизводиться. Из клеток-предшественников яйцеклеток и сперматозоидов (так называемых клеток зародышевой линии) полностью удаляются гены одного из видов, то есть половина от всех хромосом животного. Хромосомы второго родительского вида удваиваются, чтобы восстановить их исходное количество.
В итоге обмен участками проходит без проблем, а половые клетки содержат гены только прудовой или озерной лягушки. Передаваемый набор генов зависит от места обитания: съедобные лягушки поддерживают свою численность, проживая вместе с одним из родительских видов. Но как именно происходит удаление половины генетического материала до настоящего момента известно не было.
Ученые из СПбГУ совместно с коллегами из Вроцлавского университета (Польша) показали, что удаление хромосом из клеток зародышевой линии происходит еще у головастиков. Они пронаблюдали развитие гибрида из искусственно оплодотворенных икринок от стадии появления передних конечностей до метаморфоза, еженедельно анализируя хромосомный набор предшественников половых клеток. Оказалось, что на каждой стадии развития в ядрах клеток зародышевой линии оставалось все меньше генетического материала одного из видов, тогда как второй геном сохранялся полностью. Исследователи обнаружили, что хромосомы удаляются посредством особых структур — микроядер, которые присутствуют только в клетках зародышевой линии гибридных животных, но не родительских видов. Каждое микроядро содержит одну хромосому, что свидетельствует об их постепенном, а не единовременном удалении.
«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, «отстает». Отдельные хромосомы не способны прикрепиться к веретену деления и формируют микроядра, которые в дальнейшем деградируют. Во время каждого деления исключается одна или несколько хромосом, и таким образом процесс происходит постепенно», — пояснил Дмитрий Дедух.
В будущем ученые планируют выяснить, как именно происходит распознавание хромосом, которые надо удалить или, наоборот, оставить в клетке. Подобные механизмы изучены на одноклеточных организмах — инфузориях, — однако у позвоночных они неизвестны и представляют значительный интерес. Выводы, сделанные учеными, помогут в разработке новых методов редактирования генома. Их применение будет полезно в сельском хозяйстве и аквакультуре, а также при лечении трисомий — врожденных генетических мутаций, при которых у человека присутствует лишняя хромосома, например синдром Дауна.
