Ученый из Стэнфордского университета сделал полный геномный анализ своих сперматозоидов и обнаружил…

Используя уникальную микрофлюидную систему высокой пропускной способности, которая дает возможность амплифицировать полный геном одной единственной клетки, биологи из Стэнфордского университета провели анализ ДНК 91 сперматозоида Стивена Квейка (Stephen Quake), руководителя данного исследования. Результаты на днях опубликованы в Cell (http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.06.030).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Идея изучить свои собственные сперматозоиды не нова, она приходила в голову и Антонио Левенгуку, наблюдавшему микромир сквозь самодельные увеличительные стекла – прообразы первых микроскопов, еще в XVII веке.

Сегодня ученые проявляют ту же смелость в выборе объектов исследования, что и во времена Левенгука, но новейшие методы анализа позволяют им узнать гораздо больше. Стивену Квейку удалось составить индивидуальную полногеномную карту рекомбинации ДНК сперматозоида, провести анализ дрейфа генов в процессе мейоза и анализ конверсии генов, а также охарактеризовать мутации, возникающие de novo в процессе созревания мужских половых клеток.

Рекомбинация генов в момент мейоза (появление новых сочетаний генов, в результате которых возникают новые комбинации признаков у потомства) и новые мутации – основные причины генетического разнообразия гамет (половых клеток) одного и того же организма. И до сих пор остается много вопросов о том, как все же геном человека сохраняет стабильность под воздействием этих двух типов процессов?

Исследователи из Стэнфорда смогли выявить отличия в ДНК отдельных половых клеток одного индивида. С помощью микрофлюидной системы высокой пропускной способности удалось провести параллельную обработку образцов и минимизировать неспецифическую амплификацию. В результате были построены рекомбинантные карты 91 сперматозоида. Используя секвенс с высокой пропускной способностью, исследователи оценили частоту появления «крупных нестабильностей» генома в 31 одиночной клетке, а методом глубокого сиквенса – характеристики новых мутаций, возникших в восьми половых клетках.

Любопытно, что все изученные половые клетки различались по степени и частоте мутаций и рекомбинаций. И это отличие оказалось гораздо более существенным, чем ожидали исследователи.

Прежде считали, что процессом рекомбинации генов «руководит» белок PRDM9, который прикрепляется к ДНК в точках обмена генетическим материалом. Но Квейк и его коллеги доказали экспериментально, что достаточно часто процесс рекомбинации может происходить и без участия PRDM9, с помощью транспозонов – «прыгающих» генов, которые иногда называют мобильными генетическими элементами. Они способны перемещаться внутри генома – в том числе и там, где не может прикрепиться данный белок. Квейк считает, что эти данные очень важны, поскольку, судя по всему, транспозоны играют более заметную роль в процессе эволюции человека, чем предполагалось.

Кроме всего прочего, данная работа является техническим достижением. Она ознаменовала момент, когда стало возможным расшифровать последовательность ДНК отдельной клетки. В научных журналах уже появляются подобные сведения о раковых клетках, но впервые удалось закартировать ДНК одного сперматозоида. Сперматозоид сложен для генетического анализа, поскольку в нем, также как и в яйцеклетке, содержится в два раза меньше ДНК, чем в обычных клетках организма. Ученые почти уверены, что они – на пути разгадки причин мужского бесплодия, связанного со стерильностью спермы. То, что причиной проблемы могут быть «прыгающие» гены – вполне вероятно. Так, еще в 70-е годы прошлого века на уровне феноменологии было описано явление гибридного дизгенеза, приводящего к мужской стерильности в результате «деятельности» транспозонов.

Виновники рекомбинации, мобильные генетические элементы, были впервые досконально описаны российским генетиком Р.Б. Хесиным в 1984 году в революционной для тех времен монографии «Непостоянство генома». «Это был шок, но ему поверили», – вспоминали его ученики несколько месяцев назад на конференции «Современные проблемы молекулярной генетики», посвященной 90-летию со дня рождения Р. Б. Хесина. В частности, на конференции говорилось, что идет переосмысление научного наследия прошлого. И значение транспозонов в формировании генетической индивидуальности мы только начинаем осознавать. Например, появляются данные, что генетические перестройки с участием транспозонов, возникающие при формировании нервной системы – нейрогенезе, – как это ни удивительно, вносят свой вклад в формирование нашей уникальности и неповторимости.

На фото:
Схема строения ячейки для анализа ДНК индивидуальных клеток.