Відкрито одноклітинне, що руйнує і повністю перебудовувати свій геном
Згідно з новими даними, отриманими в ході дослідження команди з Прінстонського університету, в природі існує унікальний одноклітинний організм, здатний повністю зруйнувати і перебудувати свій геном. Таким незвичайним умінням володіє вид Oxytricha trifallax, що мешкає в стоячих водах.
Єдина клітина організму містить ДНК з майже чверті мільйона підстав, і всі вони перебудовуються, коли приходить час спарювання. Геном O. trifallax зберігається у вигляді розрізнених генетичних одиниць, а після спарювання збирається нова комбінація ДНК з 225 тисяч крихітних ниток. Все це відбувається протягом приблизно 60 годин.
"Здатність організму розібрати і швидко зібрати свої власні гени є надзвичайно складною для будь-якої форми життя. А то, що таким умінням володіє один з найпростіших організмів на Землі, лише підкреслює справжнє розмаїття життя на нашій планеті", - Говорить провідний автор дослідження Лаура Ландвебер (Laura Landweber), професор екології та еволюційної біології з Прінстонського університету.
За словами вчених, цей організм - приклад спроби життя перейти до складнішого еволюційному рівню, залишаючись одноклітинної. Існують і інші приклади реорганізації геному в природі, проте O. trifallax, безумовно, є рекордсменом за складністю виконання цього фокусу.
З практичної точки зору O. trifallax є модельним організмом. Одноклітинне може послужити зразком для розуміння того, як хромосоми у більш складних організмів, наприклад, у людей, "розсипаються" і збираються назад. Такий механізм може мати місце під час розвитку ракових пухлин. Але, в той час як динаміка реорганізації хромосом в ракових клітинах може бути непередбачуваною і хаотичною, O. trifallax демонструє впорядковану модель реконструкції хромосом.
Одноклітинні організми O. trifallax мешкають в ставках на поверхні водоростей і вміє збирати заново свій геном, немов мозаїку (ілюстрація John Bracht, American University, Robert Hammersmith, Ball State University).
"Якщо мова йде про людський організм, то реорганізація генома це майже завжди погано, оскільки строгий порядок побудови основ ДНК порушується. Але одноклітинний організм використовує біологічні механізми, спрямовані на упорядкування хромосом, щоб сконструювати новий геном, не гірше старого", - Пояснює Ландвебер, яка використовувала методику секвенування Pacific Biosciences, що дозволяє "прочитати" довгі поодинокі молекули.
Біологи, які не брали участі в даному дослідженні, стверджують, що робота Ландвебер і її колег показує: генетична інформація організму може зазнавати істотних змін, перш ніж вона насправді буде використана для побудови компонентів живої клітини.
Крім складності своїх генних маніпуляцій, O. trifallax володіє і іншими відмітними рисами. Це велика клітинка, розмір якої приблизно в 10 разів перевищує розмір середньої людської клітини. Також організм містить два ядра замість одного, а самі ядра клітини не регулюють внутрішню діяльність і, як правило, містять ДНК і гени, які передаються потомству під час відтворення.
Одинична клітина O. trifallax зберігає свою активну ДНК всередині одного робочого ядра і використовує другу для зберігання "архівного" генетичного матеріалу і передачі його наступному поколінню. Саме геном другого ядра, так званої зародкової лінії, піддається реорганізації для подальшого створення нового робочого ядра для потомства.
"Цікаво, що O. trifallax використовує процес спарювання тільки для обміну генетичною інформацією, але не для самовідтворення. Під час сексу два організму зливаються разом, щоб поділитися половиною своєї генетичної інформації. Кожна клітина прагне замінити старіючі гени новими і для того використовує матеріал свого партнера. Разом обидві клітини будують потім нові робочі ядра з оновленим набором хромосом. Це омолоджує їх і диверсифікує генетичний матеріал, що дуже добре для майбутнього організму", - Розповідає Ландвебер в прес-релізі.
Представники виду O. trifallax спаровуються лише для обміну генетичною інформацією (фото Wikimedia Commons).
Під час цього процесу перемішані гени в ядрі зародкової лінії упорядковано і утворюють близько 225 тисяч невеликих сегментів ДНК, кожен з яких використовують партнери для відновлення своїх омолодити хромосом. Роботи вчених показали, що мільйони не кодують молекул РНК від попереднього покоління допомагають цьому процесу, маркіруючи і сортуючи ділянки ДНК в правильному порядку.
"Не менш вражаюча і сама складність генома. У O. trifallax ДНК містить близько 16 тисяч хромосом в активному ядрі, тоді як людські клітини мають у своєму розпорядженні тільки 46 хромосомами. Більшість хромосом організму містять тільки один ген, але навіть ці гени можуть відігравати важливу роль у біологічних процесах. Кожен ген цієї клітини може складатися з будь-якої комбінації окремих ділянок ДНК, в кількість від одного до 245", - Говорить Ландвебер, чия стаття вийшла в журналі Cell.
Виняткова генетика O. trifallax дозволяє їй передавати у спадок виключно здоровий матеріал. З цієї причини організм дуже поширений по всьому світу. На думку вчених, людському тілу є чому повчитися у таких одноклітинних.
Цілком можливо, що коли-небудь біологи і генетики розберуться в цьому процесі настільки добре, що зможуть з його допомогою створювати унікальні генно-модифіковані організми.
