Pantoflíček, všem známý z kurzu školní biologie, pomohl vyřešit jeden z důležitých problémů epigenetiky a zamyslet se nad perspektivami zvýšení informační kapacity genomu.
Na obálce časopisu Nature, 22. května 2014, je pár nálevníků při pohlavním styku. Řasinky buněk opačných typů páření jsou zbarveny odlišně.
Vzor mateřské dědičnosti typů páření.
Konjugace nálevníků (barvení acetokarmínem).
Tyto jednobuněčné organismy jsou známé tím, že jejich sexuální proces probíhá bez rozmnožování a rozmnožování probíhá bez sexuálního procesu. Konjugace neboli sexuální proces byl poprvé popsán před 75 lety americkým genetikem Tracym Sonnbornem, který pozoroval, jak řasinky Paramecium dvě různé čáry se slepily do velkých shluků a pak se rozpadly na páry. Každý pár byl tvořen buňkami opačných typů páření, nazývanými E a O, nebo sudými a lichými. Ale v důsledku takové párové komunikace se neobjevují žádní noví jedinci, a proto říkají, že jde o sexuální proces, ale bez rozmnožování.
Skutečným účelem konjugace je výměna genetické informace. Nálevníci si navzájem dávají kopii celé své DNA, ale i přes přítomnost cizí DNA zůstává typ páření u nálevníků stejný jako dříve a při další reprodukci budou dceřiné buňky patřit ke stejnému typu páření (zhruba řečeno, na stejné „polo“) jako mateřská buňka.
Proč se tohle děje? Na tuto otázku odpovídá studie mezinárodního vědeckého týmu vedeného Ericem Mayerem, lídrem v oblasti molekulární genetiky nálevníků. Výsledky byly publikovány v časopise Nature.
Ukázalo se, že stabilitu typu páření zajišťuje stejný mechanismus, který chrání genom řasinek před transpozony. Všechny živé organismy mají DNA, která se nazývá nevyžádaná DNA, jejíž funkce nejsou plně pochopeny. Je však známo, že významnou část nevyžádané DNA tvoří transpozony a další takzvané mobilní elementy – speciální druh sekvencí, které se mohou náhodně kopírovat a šířit po celém genomu.
Pokud takový transposon náhle přeskočí uvnitř genu, pak s velmi vysokou pravděpodobností tento gen jednoduše přestane fungovat. U lidí je známo 96 nemocí, jejichž příčinou jsou právě takové skákací sekvence. Pro jiné organismy také není migrující DNA bezpečná, a proto byly během evoluce vyvinuty speciální mechanismy, které chrání životně důležitou DNA před destruktivními účinky transposonů.
Nálevníci jsou pozoruhodní tím, že mají dvě jádra: makronukleus, který zajišťuje každodenní život jednobuněčného organismu, a mikronukleus, který se podílí na sexuálním procesu. Z hlediska kvalitativního složení genů jsou obě jádra stejná, jen makronukleus obsahuje několik kopií brvitých chromozomů a mikronukleus pouze dvě kopie. Kromě toho byla odstraněna veškerá nevyžádaná DNA v makronukleární DNA. A existují speciální molekuly, které to udržují pod kontrolou – to jsou skenovací RNA, neboli scanRNA. Jsou syntetizovány v mikronukleu a zcela pokrývají jeho genom. Pak jdou k makronukleu a skenují jeho DNA. Jejich cílem je najít sekvence, které tam předtím nebyly. Pokud je taková sekvence nalezena, scanRNA ji označí jako „extra“, tedy potenciálně nebezpečnou. Speciální enzymy pak tyto značky rozpoznají a odstraní přebytečnou DNA z makronukleu. S pomocí skenování RNA tedy nálevníci chrání geny, které neustále používají, před transpozony.
Jelikož různé regulační RNA, kam patří i scanRNA, patří mezi tzv. epigenetické regulátory genetické aktivity, lze v tomto případě hovořit o epigenetické ochraně před transpozony. Podobné systémy ochrany genomu před transpozony, ve kterých hrají klíčovou roli malé RNA, byly nedávno objeveny u mnohobuněčných živočichů.
Co to má společného s typy dědictví? Experimenty s genetickou analýzou mutantních klonů podle typu páření, které vedly k identifikaci mutace, která narušila expresi studovaného genu v jednom z těchto klonů, provedl Alexey Potekhin, docent St. Petersburg State University. Spolupráce s Mayerovou výzkumnou skupinou, která začala v roce 2010, pokračuje a na Petrohradské univerzitě nyní probíhá řada projektů souvisejících s výzkumem Mayerem a jeho kolegy v Paříži.
„U brvitého střevíčku Paramecium tetraurelia Byl objeven gen mtA, kódující protein, jehož přítomnost předurčuje buňku řasinek k E-typu páření. Buňky typu O nemají gen mtA, protože sekvence DNA obsahující promotor genu mtA má malou náhodnou podobnost s transpozony a může být odstraněna z makronukleového genomu spolu se skutečnými transpozony skenováním RNA. Pokud k tomu dojde, pak v následujících generacích bude tato sekvence považována za zbytečnou a bude vždy odstraněna během vývoje makronukleu – koneckonců již byla ztracena ze svého „plánu“. Výsledkem je, že gen mtA je tichý a buňka má zděděné párování typu O.
Ukázalo se, že na regulaci buněčných genů se podílí starodávný mechanismus ochrany genomu před transposony, zajišťující zejména záhadnou mateřskou dědičnost pářících se typů u pantoflíčků,“ řekl k podrobnostem studie Alexey Potekhin.
To znamená, že molekulární mechanismus, jehož úkolem je sledovat potenciálně nebezpečné transpozony, může ovlivnit i aktivitu obyčejných genů, pokud mají najednou nějakou podobnost se skokovými sekvencemi DNA. (U nálevníků se ukázalo, že tyto geny určují typ páření.) V tomto případě hraje důležitou roli to, jakým plánem se tento mechanismus řídí a s čím porovnává testovanou DNA.
Ciliates se nestará o to, jaké jsou „pohlaví“ – O nebo E. Je ale možné, že podobným způsobem jsou regulovány i jiné geny. Přítomnost takového epigenetického mechanismu pro dědičnost vlastností pomocí malých RNA otevírá nové příležitosti pro zvýšení informační kapacity genomu, protože stejný gen lze číst různými způsoby nebo „vypnout“ v řadě generací.
Fotografie s laskavým svolením Alexey Potekhin.
Autor: Julia Smirnová
- POPRVÉ BYL KOMPLETNĚ PŘEČTENÝ OBROVSKÝ GENETICKÝ „MODRÓG“ MNOHOBUNĚČNÉHO TVORU. DALŠÍ JE DEKODOVÁNÍ LIDSKÉHO GENOMU
- Dovolte, abych se představil: vaše DNA
- Syntetická genomika: půl kroku od „prvku života“
- VIVAT, VIVAT. CO BUDE DÁL?
- Nejstarší genom rozluštěn
- JAK KRESLIT GENY
- Skákající geny mohou způsobit neplodnost u mužů
- Rostliny nám poskytují nejen vitamíny, ale také RNA
Sexuální proces u nálevníků je jedinečný fenomén ve světě živých bytostí. Nemají sex pro rozmnožování nebo potěšení, jejich cílem je zvýšení genetické rozmanitosti. Vědci z Petrohradské univerzity spolu s kolegy z Polska a Francie studovali sexuální proces u pěti druhů nálevníků ze skupiny Paramecium aurelia a dokázali přesně zjistit, jaké genetické mechanismy se za tímto fenoménem skrývají. Výsledky zveřejnil prestižní vědecký časopis Genome Biology and Evolution.
Sexuální proces je jedním z nejdůležitějších mechanismů pro zachování genetické rozmanitosti živých věcí. Vznik pohlavního systému se ukázal být nejdůležitějším krokem ve vývoji eukaryot. Nálevníci jsou nejznámější protistové se složitým systémem „pohlaví“ (pářících se typů). Rozmnožují se dělením napůl a toto dělení nijak nesouvisí se sexuálním procesem (konjugací). Sexuální proces u nálevníků spočívá ve výměně haploidních jader, která se spojí, což vede k vytvoření stejného diploidního genomu u každého účastníka. Poté je tento genom uložen v „pohlavním“ jádru (mikronukleus) a dochází k rozsáhlým přestavbám v somatickém jádře (makronukleu), ve kterých nezůstává prakticky žádná nekódující „odpadní“ DNA. Dvě buňky tedy vstoupí do konjugace a dvě buňky zůstanou na konci. Po sexuálním procesu se počet buněk nezvětšuje, ale jsou již odlišné od těch, které byly spárovány. Zaprvé jsou nyní geneticky identičtí a zadruhé se jejich genotypy liší od jejich „rodičovských“.
Nakreslíme-li analogii s člověkem (u kterého sexuální proces také vždy nevede k rozmnožování), můžeme si to představit, jako by se oba partneři po aktu lásky stali dvojčaty a zároveň se proměnili ve své vlastní děti. – ve skutečnosti byli znovuzrozeni.
Jeden z autorů studie, profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
Vědci strávili několik let studiem charakteristik pohlavního procesu pěti druhů pantoflíčků z rodu Paramecium a zjišťováním, jak je zajištěna přítomnost dvou „pohlaví“ v buňkách, které nemají žádné sexuální vlastnosti. „Ciliates přistupují k otázkám sexu neortodoxním způsobem. Například různé druhy Paramecium mají vícenásobné a binární systémy typů páření. Mnoho typů páření výrazně rozšiřuje možnosti výběru sexuálního partnera – hlavní věc je, že se nejedná o buňku stejného genotypu (se stejným typem páření) a binární systémy jsou „bisexualitou“, která je známá. nás. Jak ukázala praxe, dvě pohlaví jsou docela dost,“ říká Alexey Potekhin.
Ciliates řady druhů Paramecium jsou rozděleny do dvou typů: „sudé“ (E) a „liché“ (O) – velmi podmíněně je lze nazvat zástupci různých „pohlaví“, protože do páření vstupují pouze buňky různých typů. proces. Jak se však poznají, se dlouho nevědělo. Klíčem k řešení byl gen mtA, dříve objevený v Paramecium tetraurelia. Kóduje protein umístěný na řasinkách buněk „sudého“ typu páření v okamžiku, kdy je buňka připravena k pohlavnímu procesu. Tento protein umožňuje buňce rozpoznat nálevníky druhého, „lichého“ typu páření, a takové buňky se mohou vzájemně propojovat. Gen mtA pracuje s pomocí dalších dvou proteinů, mtB a mtC, které kódují specifické transkripční faktory pro mtA. Buňka, která je schopna syntetizovat všechny tři proteiny, bude mít typ párování E, a pokud něco nefunguje, pak typ párování O.
K očištění somatického genomu od všeho nepotřebného používají nálevníci mechanismus genomického skenování pomocí speciálních malých RNA k porovnání starého známého pracovního genomu a nového, který se tvoří po sexuálním procesu. V důsledku toho jsou z nového genomu odstraněny všechny sekvence DNA, které nebyly ve starém genomu, poté je staré makronukleus zničeno a řízení života buňky přechází na nové makronukleus. “Zároveň se genotyp nových jader liší od toho rodičovského, jak by měl být výsledkem sexuálního procesu,” poznamenává Alexey Potekhin.
Studie byla podpořena grantem Ruské nadace pro základní výzkum 19-04-00710a.
Právě pomocí genomového skenování nálevníci druhu Paramecium tetraurelia cytoplazmaticky zdědí typ páření, to znamená, že v buňce potomka bude stejný jako u rodiče. „Buňky s pářícím typem O nemají ve svém genomu funkční gen mtA, protože sekvence DNA obsahující promotor (startovací místo) a začátek genu mtA má náhodnou podobnost s transpozony (takzvané skokové geny, které tvoří významná část nepotřebné DNA buňky) a může být odstraněn z makronukleového genomu jako nepotřebný. Pokud k tomu dojde, pak v následujících generacích bude tato sekvence vždy odstraněna během vývoje makronukleu, protože již byla ztracena ze „šablony“. Výsledkem je, že gen mtA je tichý a buňka zdědí páření typu O,“ říká Alexey Potekhin.
Cytoplazmatická dědičnost typů páření je charakteristická pro několik dalších sourozeneckých druhů komplexu Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia a P. dodecaurelia. V nové studii vědci ukázali, že tyto druhy, navzdory jejich blízkému vztahu, používají stejný mechanismus, ale různé způsoby, jak dosáhnout „bisexuality“. Několik druhů používá stejnou metodu jako P. Tetraurelia – epigeneticky zděděnou deleci (nebo chromozomální přeuspořádání) fragmentu obsahujícího promotor a začátek sekvence genu mtA. U P. sexaurelia naopak konec genu mtA prochází stejným „chybným“ přeskupením. U dvou druhů, P. biaurelia a P. septaurelia, mohou být různé fragmenty genu mtB zaměněny za „odpadní“ DNA, bez které gen mtA nemůže fungovat. Konečným výsledkem takových přeuspořádání je ve všech případech nepřítomnost proteinu mtA a buňky s těmito delecemi budou mít párovací typ O.
Když jsem byl studentem, před 25 lety, byl jsem ohromen tím, že pro malou skupinu nálevníků existují až tři způsoby, jak zdědit typy páření (nenajdete takovou rozmanitost mezi všemi mnohobuněčnými živočichy). A pak to byla absolutní záhada, protože nikdo neměl ani ponětí o genomovém skenování nebo genech typu páření.
Profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
„A skutečnost, že naše skupina mohla významně přispět ke studiu tohoto fenoménu, ve mně vyvolává pocit hrdosti na dosažený vědecký výsledek. Bylo to skutečné vědecké hledání,“ zdůrazňuje vědec.
U jiného druhu, P. tredecaurelia, se typy páření dědí nikoli přes cytoplazmu, ale klasicky, v souladu s Mendelovými zákony. Vědci zjistili, že rozdílem mezi klony O a E typů páření u tohoto druhu je ztráta jednoho nukleotidu v promotoru genu mtA u klonů typu E. V genomu P. tredecaurelia není žádný funkční gen mtB, a jeho roli hraje další transkripční faktor. Provedené experimenty umožnily zjistit, že vazebné místo pro tento neznámý faktor je přesně lokalizováno v oblasti promotoru s jednonukleotidovou delecí a gen mtA působí pod takovým promotorem. Pokud nedojde k žádné deleci, pak místo není rozpoznáno a gen mtA nemůže být exprimován. Stejné vazebné místo v promotoru genu mtA je charakteristické pro tři další druhy komplexu Paramecium aurelia a všechny nemají gen mtB.
„To znamená, že ve vývoji této skupiny došlo několikrát k přechodům z jednoho systému regulace páření na jiný. S různými řešeními je výsledek vždy stejný: v každé přirozené populaci musí být buňky dvou typů páření. V evoluci Paramecia, jak se ukázalo, se může uchytit jakékoli schéma zachování heterosexuality – a to jak za účasti různých genů, tak také zahrnujících různá přeskupení v rámci stejných genů. To ukazuje, jak důležitý je sexuální proces i pro jednobuněčné organismy,“ zdůrazňuje Alexey Potekhin.
