Поддержание целостности генетической информации — одно из важнейших свойств живых организмов. В большинстве случаев, закодированная в молекулах ДНК информация передается из поколения в поколение и не терпит изменений и повреждений, так как они ведут к болезням или гибели потомства. Но, как мы знаем, из каждого правила есть исключения. В данном случае это организмы, для которых удаление генетического материала на определенных стадиях развития не только не проблема, а единственный путь к выживанию. Процесс удаления генетической информации был обнаружен у совершенно разных существ, начиная от одноклеточных инфузорий и заканчивая млекопитающими. Удивительно, что у некоторых удаляться может до 96% всей ДНК клетки!
Фото: sangharsh lohakare / unsplash.com
Фото: sangharsh lohakare / unsplash.com
Феномен удаления генетического материала был впервые открыт еще в конце XIX века Теодором Бовери у паразитических нематод из рода Parascaris. Он обнаружил, что в самом начале развития этих организмов из определенных клеток удаляются фрагменты хромосом. Он выяснил, что такие клетки в будущем становятся клетками тела. В то же время в клетках, которые являются предшественниками яйцеклеток и сперматозоидов (эти клетки в дальнейшем мы будем называть клетками зародышевой линии), хромосомы остаются целыми. На основании этих наблюдений Бовери и предложил остроумную гипотезу, которая связывала удаление части хромосом со специализацией клеток тела и их функциями. Согласно этой гипотезе, из клеток мышц удаляется вся ненужная информация, например, ответственная за формирование железистых клеток, и остается только необходимая, позволяющая кодировать миозин и динеин, например. В то же время клетки зародышевой линии передают свои хромосомы в целостности и сохранности следующим поколениям.
Однако Бовери и другим исследователям не удалось обнаружить подтверждения в пользу этой гипотезы при изучении других организмов. Теперь мы знаем, что тонкая настройка и регуляция активности различных генов приводит к специализации разных типов клеток и формированию тканей. Однако, после того как гипотеза Бовери не подтвердилась, интерес исследователей значительно угас к изучению этого феномена, который перешел в разряд исключений. Хотя в дальнейшем выяснилось, что нематоды не единственные, у кого происходит удаление частей хромосом,— сходные процессы были также обнаружены у рачков-циклопов, одноклеточных инфузорий и даже некоторых позвоночных, включая миног и миксин.
Стоит также отметить, что удаляться могут не только фрагменты, но и целые хромосомы и даже полные хромосомные наборы. Удаление целых хромосом наблюдается у некоторых насекомых и растений и даже у птиц. Однако удаляются не обычные хромосомы, а так называемые добавочные или Б-хромосомы. Такие хромосомы обычно формируются из обычных хромосом или их фрагментов, но не удаляются и начинают жить самостоятельно, то есть являются примером эгоистичных генетических элементов. В большинстве случаев Б-хромосомы не несут особой функции для поддержания жизнедеятельности организма, и их существование, скорее всего, связано с единственной целью — попасть в яйцеклетку или сперматозоид, чтобы передаться следующим поколениям. Для этого такие хромосомы «изобрели» ряд уловок. В первую очередь они стремятся попасть в клетки зародышевой линии или в случае растений в их зеленые части, где больше вероятность оказаться в клетках цветка. При этом в остальных клетках организма происходит удаление таких хромосом.
Другой интересной особенностью этих хромосом, позволяющей сохраняться и передаваться потомкам, является накопление генов, необходимых для развития яичников и/или семенников. Таким образом, они становятся важны для организма, так как находят себе достойную функцию! По такому же принципу из определенных типов клеток могут удаляться и половые хромосомы, что было обнаружено у насекомых, но также встречается у различных позвоночных и даже у некоторых видов млекопитающих.
Как я уже упомянул, не только одиночные хромосомы могут подвергаться удалению, а даже целые материнские или отцовские хромосомные наборы. У некоторых насекомых, клещей и ногохвосток в соматических клетках, как и обычно, сосуществуют хромосомные наборы как матери, так и отца, однако в клетках зародышевой линии все хромосомы самца становятся плотными и компактными и впоследствии удаляются. При этом остаются только хромосомы самки, передающиеся следующему поколению. Удивительно, что некоторые паразитические элементы способны также контролировать этот процесс. К таким элементам относятся некоторые Б-хромосомы или паразитическая бактерия Wolbachia, которые приводят к избирательному удалению генетического материала самца после оплодотворения и таким образом контролируют количество самок и самцов в популяциях насекомых.
Разнообразие способов удаления генетической информации на примере различных организмов. А. Удаление хромосомных фрагментов из предшественников клеток тела у нематод. Б. Удаление Б-хромосом из предшественников клеток тела у зебровой амадины. В. Удаление всех отцовских хромосом у насекомого, кокцида. Г. Удаление всех хромосом одного из родительских видов у межвидовых гибридов зеленых лягушек
Разнообразие способов удаления генетической информации на примере различных организмов. А. Удаление хромосомных фрагментов из предшественников клеток тела у нематод. Б. Удаление Б-хромосом из предшественников клеток тела у зебровой амадины. В. Удаление всех отцовских хромосом у насекомого, кокцида. Г. Удаление всех хромосом одного из родительских видов у межвидовых гибридов зеленых лягушек
Одним из наиболее интересных и малоизученных примеров удаления генетического материала является удаление хромосом у гибридных растений и животных. В ходе скрещивания двух разных видов растений или животных образуются межвидовые гибриды, которые в большинстве случаев стерильны. Чтобы все же вернуть себе способность к размножению, даже несмотря на отсутствие нормального мейоза, такие гибриды выбирают путь удаления хромосомного набора одного из родительских видов. В результате образуется изначальное гибридное растение, которое содержит хромосомы только одного из родительских видов. У гибридов животных такое удаление хромосом происходит только в клетках зародышевой линии, не затрагивая остальные. Важно отметить, что именно удаление генетического материала, в особенности у гибридов животных, позволяет им не только существовать, но и успешно размножаться.
Как происходит удаление генетического материала? Несмотря на разнообразие способов и механизмов у различных животных, детальное понимание того, как происходит удаление генетического материала, есть только для двух отрядов инфузорий. Совсем недавно стало известно, что у инфузорий важную роль в процессе удаления выполняют некодирующие РНК. При этом крайне интересно то, что у представителей из отряда Тетрахимена некодирующие РНК распознают последовательности, предназначенные для удаления, в то время как для инфузорий из другого отряда Oligomenophorea некодирующие РНК распознают последовательности, предназначенные для сохранения. Тем не менее подход разный, а итог один — распознанные последовательности вырезаются из генома с помощью особых ферментов.
У других животных удаление последовательностей зачастую происходит во время клеточного деления, в митозе или мейозе. При этом хромосомы или их фрагменты, предназначенные для удаления, отстают во время деления от остальных хромосом, и, таким образом, не способны попасть в ядра дочерних клеток. В результате такие хромосомы или хромосомные фрагменты формируют так называемые микроядра, которые в дальнейшем деградируют. Несмотря на то что механизмы этого процесса остаются неизвестными для подавляющего большинства живых организмов, сам процесс удаления генетического материала включает несколько этапов: распознавание последовательностей, их маркирование, разделение во время митоза или в пространстве ядра, последующее удаление и деградация.
Зачем нужно удаление генетического материала живым организмам? С момента открытия существует мнение, что этот процесс может служить для разделения клеток на соматические и клетки зародышевой линии, что встречается у нематод, миног, миксин и веслоногих рачков. Кроме того, удаление генетического материала может позволить регулировать активность генов, но является одним из радикальных и необратимых способов такой регуляции. У насекомых и других членистоногих удаление отдельных хромосом или отцовского генома может служить одним из механизмов определения пола. Но, на мой взгляд, одна из самых интересных гипотез заключается в том, что именно конкуренция между материнским и отцовским геномами ведет к удалению «проигравшего» генома из клеток зародышевой линии, что не дает этим генам размножаться. Однако, скорее всего, одной из наиболее распространенных функций удаления генетического материала является регуляция паразитических или «мусорных» генетических элементов, таких как транспозоны, ретротранспозоны или повторяющиеся последовательности.
Зачем это изучать? Именно благодаря знанию об уникальных процессах в живых организмах ученые смогли создать такие незаменимые методы молекулярной биологии, как ПЦР и CRISPR-Cas9, а также многие лекарства. С такой перспективы разнообразные механизмы удаления генетического материала представляют собой самый настоящий клад естественных и работающих подходов для манипулирования генетическим материалом. Например, полученные данные могут быть чрезвычайно полезны для лечения заболеваний, связанных с увеличением числа хромосом, и помочь разработать альтернативные методики геномного и хромосомного редактирования.
С эволюционной точки зрения такое широкое распространение феномена удаления генетического материала у разных неродственных групп животных также любопытно. Важно понять, насколько сходны или различны механизмы, приводящие к удалению генетического материала у разных организмов. Мы все еще не знаем, почему эти процессы возникли у одних животных, в то время как у большинства других не обнаружено удаление генетического материала. Помимо этого мы сможем более детально понять, как устроено клеточное ядро и насколько пластично организован генетический материал в целом.